Типы ядерных реакций

Существует несколько разновидностей ядерных реакций. Некоторые из них происходят на Земле в естественных условиях (например, под действием космических лучей и продуктов естественной радиоактивности), другие протекают в космосе (например, в недрах звёзд и Солнца), третьи — используются человеком для выработки электроэнергии, получения новых химических элементов и т. п. Существуют:

• Реакции с нейтронами
• Реакции с лёгкими ядрами
• Реакции под действием гамма-квантов
• Реакции под действием электронов и мюонов
• Реакции с участием нейтрино
• Реакции с участием адронов
• Реакции с тяжёлыми ионами

Рассмотрим подробно реакции с нейтронами. После открытия нейтрона Энрико Ферми стал изучать ядерные реакции, вызываемые нейтронами. Так как нейтроны лишены заряда, то они беспрепятственно проникают в атомные ядра и вызывают ядерные реакции, причем ядерные превращения вызываются не только быстрыми нейтронами, но и медленными, даже эффективнее. В 1938 г. была впервые осуществлена реакция деления ядер урана нейтронами:


Для проведения данной реакции использовались изотопы урана (235). (Для проведения цепной реакции чистый изотоп урана (238) непригоден.)

• При попадании нейтрона в ядро, оно возбуждается и начинает деформироваться, в результате чего образуются одноименно заряженные полюса.
• Под действием электромагнитных сил отталкивания между одноименно заряженными полюсами деформация усиливается.
• В итоге наступает момент, когда электромагнитные силы отталкивания преодолевают ядерные силы притяжения и ядро рассыпается на два осколка, которые разлетаются со скоростями равными 1/30 скорости света. При этом освобождаются 2-3 нейтрона, так как относительное число нейтронов у возникающих при делении осколков оказывается большим, чем это допустимо для ядер атомов, находящихся в середине таблицы Менделеева. Данная реакция сопровождается выделением большой энергии (которая имеет электростатическое происхождение), так как энергия связи образовавшихся ядер оказывается большей, чем у ядер урана. (При полном делении 1 г урана выделяется такое же количество теплоты, как при сгорании 3 т. каменного угля).

Реакция, в которой частицы вызывающие ее (нейтроны), образуются, как продукты данной реакции называется ядерной цепной реакцией. Ядерная цепная реакция характеризуется коэффициентом размножения нейтронов.

Коэффициентом размножения нейтронов называют отношение числа нейтронов в каком-либо поколении к числу нейтронов в предшествующем поколении.

• К>1 — неуправляемая цепная реакция, заканчивается взрывом (используется в ядерной бомбе)
• К=1 — управляемая цепная реакция (используется в ядерном реакторе)
• К<1 – цепная реакция невозможна.

Наименьшую массу делящегося вещества, при которой может протекать цепная ядерная реакция, называют критической массой. Для чистого урана(235), имеющего форму шара, критическая масса 50 кг (R=9 см). Если применить замедлитель нейтронов и отражающую оболочку из берилия, то критическая масса снижается до 250 г.