151081 (Фізика напівпровідників), страница 7

Важливу групу ядерних реакцій складають реакції ділення важких ядер при їх бомбардуванні нейтронами (О.Ган, Р.Штрасман, О.Фріш, Л. Мейтнер, 1939 р.). При цьому ядро ділиться на декілька більш легких ядер (найчастіше – на два осколки зі співвідношенням мас 2:3) з випроміненням 2-3 вторинних нейтронів і виділенням величезної енергії (~ІМеВ на нуклон), наприклад,

. (7.36)

Мінімальна енергія, необхідна для поділу ядра, називається енергією активації; її вносить в ядро бомбардуючий нейтрон. Це приводить до деформації ядра внаслідок порушення рівноваги кулонівських сил і сил поверхневого натягу, поділу ядра і розлітання осколків з великими швидкостями (Н.Бор, Я.І.Френкель, 1940 р.). Осколки виносять понад 80% енергії ділення, декілька МеВ виносять нейтрони, решта енергії виділяється пізніше під час -розпаду продуктів ділення.

Оскільки відношення числа нейтронів до числа протонів для середніх ядер рівне 1,3, а для важких ядер – 1,6, звільнення осколків від надлишку нейтронів і приводить до виникнення вторинних нейтронів. Переважна більшість з них виникає в момент ділення (миттєві нейтрони); однак, 0,75% вторинних нейтронів виникають з запізненням (запізнілі нейтрони). Вони “випаровуються” -радіоактивними осколками вже після ділення ядра з розкидом в часі від 0,05с до десятків секунд. Саме це дозволяє плавно керувати ланцюговою реакцією ділення.

Ядерна реакція стає ланцюговою, якщо частинки, що її викликають, виникають як продукти цієї реакції. В реакції типу (7.36), викликаній тепловим нейтроном, вторинні нейтрони виникають швидкими в середній кількості на кожний акт ділення. Якщо частина f загальної кількості вторинних нейтронів буде використана для продовження реакції ділення, то на один нейтрон першого покоління прийдеться

(7.37)

нейтронів другого покоління, тому швидкість зміни потоку нейтронів і

, (7.38)

де n0-потік нейтронів при , -час життя покоління нейтронів. Якщо , здійснюється самопідтримувана ланцюгова реакція, що має місце в ядерних реакторах. При реакція перестає бути регульованою і закінчується вибухом; при ланцюгова реакція згасає.

Вивчення можливостей реалізації цих умов показало, що природній уран містить ~99,3% ізотопу і ~0,7% ізотопу . Ядра діляться як швидкими, так і тепловими нейтронами, ядра діляться лише швидкими нейтронами з енергією Е > 1МеВ, але ефективний переріз поділу для них малий. Конкуруючими процесами є непружне розсіяння і радіаційне захоплення нейтронів, тому в природньому урані ланцюгова реакція ділення самочинно розвинутись не може. Якщо природній уран збагатити ізотопом , то на швидких нейтронах реалізується співвідношення типу (7.37):

, (7.39)

де -середнє число нейтронів на кожний захоплений нейтрон, -коефіцієнт використання швидких нейтронів. З умови визначаються критичні розміри і критична маса атомної бомби, що для дає ~9см і ~50кг. При ядерні заряди можна зберігати; при з’єднанні докритичних мас у надкритичні відбувається атомний вибух еквівалентний вибуху тон тротилу (США, 1945; СРСР, 1949р).

При реалізації ланцюгової реакції ділення на теплових нейтронах необхідне використання сповільнювача нейтронів (важка вода , графіт, які мало поглинають нейтрони). Тоді стає можливим використання природнього урану. Коефіцієнт розмноження теплових нейтронів у цьому випадку визначається співвідношенням:

. (7.40)

Це – так звана формула чотирьох співмножників, де -коефіцієнт зростання потоку нейтронів за рахунок поділу ядер швидкими нейтронами, -доля сповільнюваних нейтронів, які не зазнають поглинання ядрами , - коефіцієнт використання теплових нейтронів (не поглинутих домішками і не вилітаючих за межі активної зони). Якщо перші два співмножники залежать лише від активно подільного матеріалу, другі два суттєво залежать від конструкції реактора. Оптимізація цих коефіцієнтів в уран-графітовому реакторі, де стержні з природнього урану відповідного діаметра складаються у своєрідну решітку з блоками графітового сповільнювача, дозволяє досягти і за допомогою автоматично регульованих стержнів з і В, які активно поглинають нейтрони, підтримувати регульовану ланцюгову реакцію ділення ядер на заданому рівні (США, 1942р; СРСР, 1945р). Використання відповідного теплоносія (вода, рідкі метали), який циркулює через активну зону, дозволяє виводити з неї тепло, що виділяється за рахунок утилізації кінетичної енергії осколків ділення, і перетворювати її в енергію пари (атомні двигуни) та електричну енергію (атомні електростанції). Запуск і плавне регулювання роботи атомного реактора можливі за рахунок використання запізнілих нейтронів; його зупинка досягається скиданням в реактор поглинаючих стержнів з Cd і В, внаслідок чого k стає меншим одиниці.

Миттєві нейтрони реактора використовуються частково для підтримання ланцюгової реакції, а частково – для відтворення ядерного пального. За рахунок радіаційного захоплення нейтронів ядрами виникає ізотоп , який після двох -розпадів перетворюється в . Цей ізотоп, як і , є активно подільним матеріалом, тому після хімічного виділення з відпрацьованих уранових стержнів реактора може використовуватись для виготовлення ядерних боєзарядів. На цих засадах базується сучасна ядерна енергетика з усіма її використаннями у мирних та військових цілях і екологічними проблемами, які вона породила. Зокрема, все більш актуальною стає проблема поховання радіоактивних відходів, що накопичуються.

Іншою групою ядерних реакцій, які супроводжуються виділенням величезної енергії, є термоядерні реакції синтезу важких ядер (наприклад, ) з більш легких (наприклад, ізотопів водню ). Для їх реалізації потрібні високі температури ( , щоб за рахунок кінетичної енергії ядра могли зблизитись до відстані порядку радіуса дії ядерних сил (10-13см). В природніх умовах такі реакції мають місце в надрах зірок, обумовлюючи їх величезне випромінювання. Як показав Г.Бете (1938 р), перетворення водню в гелій на зірках здійснюється за допомогою водневого і вуглецевого циклів, які в кінцевому результаті еквівалентні реакції

. (7.41)

Завдяки величезним розмірам і масам зірок на них ідеально вирішується проблема гравітаційного утримування і термоізоляції плазми (речовина при Т~ К являє собою високойонізовану плазму). На Землі для цього треба шукати інші підходи.

Термоядерна реакція синтезу на Землі поки що здійснена лише як вибухова у водневій бомбі (СРСР, США, 1953 р.), де детонатором служить атомна бомба, внаслідок вибуху якої у рівнокомпонентній суміші дейтерію і тритію виникають температура Т~ К і тиск Р~ атм, що приводить до “підпалювання” термоядерної реакції

. (7.42)

В реакції (7.42) виділяється енергія ~17,6МеВ, яка на одиницю маси реагуючої речовини в 4 рази більша, ніж в реакції ділення, тому енергія термоядерних бомб становить ~(105–106)т тротилового еквіваленту.

Надзвичайно привабливими видаються перспективи керованого термоядерного синтезу (КТС), як з точки зору практичної невичерпності дешевого для КТС пального (дейтерію у водах океанів), так і з огляду на суттєво меншу радіаційну загрозу реакторів КТС, ніж у реакторів ділення, тому вивчення КТС розпочалося ще у 50-і роки ХХ століття. Створення реактора КТС передбачає: 1) одержання плазми, нагрітої до температур ~ К; 2) утримання плазмової конфігурації протягом часу, необхідного для протікання термоядерних реакцій. Керовано нагріти речовину до таких температур можна газовим розрядом, гігантським лазерним імпульсом або бомбардуванням інтенсивним пучком часток. Тому дослідження проблем КТС ведуться в напрямку створення квазістаціонарних реакторів з магнітним утримуванням плазми та імпульсних реакторів з інерційним утримуванням плазми. В обох підходах ще є принципові труднощі, пов’язані з нестійкістю плазмових конфігурацій та проблемою домішок у плазмі, що ведуть до надмірних енергетичних втрат. Проте, небезпідставним є оптимізм, що реактор енергетики майбутнього буде побудований.

§ 7.5. Елементарні частинки та фундаментальні взаємодії

Елементарні частинки в точному розумінні цього терміну – первинні, далі неподільні частинки, з яких за припущенням складається вся матерія. В сучасній фізиці цей термін вживається менш точно – для найменування всіх мікрочастинок, які (за винятком протонів) не є атомами, чи атомними ядрами. Крім протонів, сюди відносяться: нейтрони, електрони, фотони, -мезони, м’юони , важкі лептони , нейтрино трьох типів ( дивні частинки (к-мезони, гіперони), різноманітні резонанси, -частинки, “чарівні” частинки, іпсилон-частинки ۷, “красиві” частинки, проміжні векторні бозони ( ) – всього ~ 400 часток, здебільшого нестабільних, кількість яких продовжує зростати. Фактично, більшість з них не є елементарними; частинки, що претендують на роль первинних елементів матерії, прийнято називати істинно елементарними.

Відкриття складного, несподіваного світу елементарних частинок – надбання квантово-релятивістської фізики ХХ століття. Деякі з елементарних часток були відкриті в зв’язку з вивченням будови атома (е– ) та ядра (р, n, ) і в космічних променях (е+, К, ), решта – на прискорювачах заряджених часток, які стали основним інструментом дослідження елементарних часток. Всі елементарні частинки є об’єктами винятково малих мас і розмірів, що обумовлює квантову специфіку їх поведінки. Найбільш важлива квантова властивість всіх елементарних часток – їх здатність народжуватися і знищуватися (випромінюватися і поглинатися) при взаємодії.

Різні процеси з елементарними частинками помітно відрізняються за інтенсивністю їх протікання. В зв’язку з цим взаємодії елементарних часток ділять на види: сильну, електромагнітну, слабку, гравітаційну. Інтенсивність взаємодій прийнято характеризувати безрозмірними параметрами, пов’язаними з квадратами констант зв’язку відповідних взаємодій.

Сильна взаємодія обумовлює найбільший зв’язок елементарних часток; для неї , радіус дії ; саме вона забезпечує зв’язок нуклонів у ядрі.