Ядерное деление и синтез

Ядерная физика — это раздел физики, который изучает атомные ядра и их взаимодействия. В этом контексте два важных процесса — это ядерное деление и ядерный синтез. Оба процесса связаны с изменением ядер атомов, что приводит к излучению или поглощению энергии. Понимание этих процессов лежит в основе ядерных технологий, используемых в различных отраслях промышленности сегодня.

Что такое ядерное деление?

Ядерное деление — это такой вид реакции, при котором ядро атома распадается на два или более малых ядра, одновременно высвобождая значительное количество энергии. Этот процесс обычно происходит в более тяжёлых элементах, таких как уран или плутоний, имеющих более крупные ядра. Процесс деления выделяет нейтроны, которые могут продолжать реакции деления, вызывая цепную реакцию. Общим материалом, используемым в ядерном делении, является уран-235.

Как происходит ядерное деление?

Посмотрим, как происходит ядерное деление на примере урана-235:

n + 235 U → 236 U → 141 Ba + 92 Kr + 3n + энергия

В этом уравнении нейтрон (n) сталкивается с ядром урана-235 (²³⁵ U). Уран поглощает нейтрон и становится ураном-236 (²³⁶ U), нестабильным изотопом. Это нестабильное ядро распадается на два более лёгких ядра, барий-141 (¹⁴¹ Ba) и криптон-92 (⁹² Kr), высвобождая дополнительный свободный нейтрон и значительное количество энергии.

Цепная реакция

Нейтроны, высвобожденные в процессе деления, могут сталкиваться с другими ядрами урана-235. Это освобождает больше нейтронов и реакция продолжается непрерывно — процесс, известный как цепная реакция. В ядерных реакторах эта цепная реакция контролируется для производства электроэнергии, тогда как в ядерных вооружениях она происходит одновременно, что приводит к взрыву.

Визуальный пример ядерного деления

Что такое ядерный синтез?

Ядерный синтез — это процесс, при котором два более лёгких атомных ядра соединяются, образуя более тяжёлое ядро, при этом выделяется энергия. Эта реакция питает Солнце и другие звёзды. Синтез часто рассматривается как чрезвычайно чистый источник энергии, так как он производит намного больше энергии, чем деление и производит незначительные ядерные отходы. Обычно синтез включает изотопы водорода, такие как дейтерий и тритий.

Как происходит ядерный синтез?

Синтез требует чрезвычайно высоких температур и давлений, чтобы сблизить ядра для преодоления ядерных сил. Общая реакция ядерного синтеза — это комбинация дейтерия и трития:

2H + 3H → 4 He + n + энергия

В этой реакции дейтерий (² H) и тритий (³ H) соединяются, образуя гелий-4 (⁴ He), свободный нейтрон (n) и большое количество энергии. Энергия, выделяющаяся в синтезе, обусловлена разницей в энергии связи между продуктами и реагентами.

Визуальный пример ядерного синтеза

Задачи при достижении синтеза на Земле

Достижение ядерного синтеза на Земле представляет значительные трудности из-за чрезвычайно высоких температур и давлений, которые требуются. Эти условия необходимы для преодоления электростатических сил, которые отталкивают положительно заряженные ядра друг от друга. Реакторы синтеза, известные как токамаки или системы инерционного удержания, разрабатываются для достижения этих условий на постоянной основе.

Сравнение между делением и синтезом

Ядерное деление и синтез — это мощные реакции, выделяющие огромное количество энергии. Однако у них есть ключевые различия:

1. Тип реакции:
   - Деляция: распад большого ядра на малые ядра.
   - Синтез: сочетание малых ядер для образования большего ядра.

2. Энергетические затраты:
   - Деляция: требует критической массы и может быть инициирована нейтроном.
   - Синтез: требует чрезвычайно высоких температур и давлений.

3. Производство энергии:
   - Деляция: производит энергию, но не так много, как синтез.
   - Синтез: производит больше энергии, чем деление.

4. Побочные продукты:
   - Деляция: производит радиоактивные отходы.
   - Синтез: производит относительно безвредный гелий.

5. Текущие применения:
   - Деляция: используется в ядерных реакторах и атомных бомбах.
   - Синтез: исследования всё ещё продолжаются для практического производства энергии.

Приложения ядерного деления

Ядерное деление в настоящее время используется в атомных электростанциях для производства электроэнергии. Оно также используется в подводных лодках и военных кораблях для обеспечения больших количеств энергии без частой дозаправки. Ещё одно применение — в ядерных оружиях, которые имеют значительные разрушительные способности.

Возможность ядерного синтеза

Ядерный синтез обещает обеспечить почти неограниченный и чистый источник энергии. В отличие от деления, реакции синтеза производят небольшое количество радиоактивных отходов и используют обильные топливные ресурсы, такие как изотопы водорода. Если учёным удастся успешно использовать синтез на устойчивой основе, это может революционизировать способы производства электроэнергии.

Учебный пример — концепция энергетической установки синтеза

Энергетическая установка синтеза будет работать путём поддержания «плазмы» изотопов водорода на высоких температурах. Исследуются такие методы, как магнитное удержание и инерционное удержание на основе лазеров. Однако, поддержание условий для устойчивой реакции является сложной задачей.

Заключение

Ядерное деление и синтез — это краеугольные камни современной ядерной физики, причём деление в настоящее время доминирует в практических приложениях. Синтез остаётся областью интенсивных исследований из-за своего потенциала как чистой альтернативы в обеспечении энергии. Понимание этих процессов улучшает наши возможности по разработке более безопасных и эффективных способов использования ядерной энергии.

Комментарии