Строение атомного ядра. Ядерные силы. Энергия связи нуклонов в ядре. Ядерная и термоядерная энергетика.

А́томное ядро́ — центральная часть атома, в которой сосредоточена основная его масса (более 99,9 %). Ядро заряжено положительно, заряд ядра определяет химический элемент, к которому относится атом. Размеры ядер различных атомов составляют несколько фемтометров, что в более чем в 10 тысяч раз меньше размеров самого атома.

Атомные ядра изучает ядерная физика.

Атомное ядро состоит из нуклонов — положительно заряженных протонов и нейтральных нейтронов, которые связаны между собой при помощи сильного взаимодействия. Протон и нейтрон обладают собственным моментом количества движения (спином), равным

и связанным с ним магнитным моментом.

 

Атомное ядро, рассматриваемое как класс частиц с определённым числом протонов и нейтронов, принято называть нуклидом.

 

Количество протонов в ядре называется его зарядовым числом

— это число равно порядковому номеру элемента, к которому относится атом в таблице Менделеева. Количество протонов в ядре определяет структуру электронной оболочки нейтрального атома и, таким образом, химические свойства соответствующего элемента. Количество нейтронов в ядре называется его изотопическим числом

. Ядра с одинаковым числом протонов и разным числом нейтронов называются изотопами. Ядра с одинаковым числом нейтронов, но разным числом протонов — называются изотонами. Термины изотоп и изотон используются также применительно к атомам, содержащим указанные ядра, а также для характеристики нехимических разновидностей одного химического элемента. Полное количество нуклонов в ядре называется его массовым числом

()

и приблизительно равно средней массе атома, указанной в таблице Менделеева. Нуклиды с одинаковым массовым числом, но разным протон-нейтронным составом принято называть изобарами.

Как и любая квантовая система, ядра могут находиться в метастабильном возбуждённом состоянии, причём в отдельных случаях время жизни такого состояния исчисляется годами. Такие возбуждённые состояния ядер называются ядерными изомерами.

ЯДЕРНЫЕ СИЛЫ силы, связывающие нуклоны (протоны и нейтроны) в ядре. Я. с.— одно из проявлений сильных взаимодействий. Яд. силы явл. короткодействующими, радиус их действия порядка 10-12 —10-13 см

Энеpгия - важнейшая хаpактеpистика ядpа. Обычно интеpес пpедставляет не вся энеpгия, а лишь энеpгия ядpа за вычетом собственной энеpгии нуклонов, поскольку собственная энеpгия нуклонов во всех ядеpных pеакциях выступает как постоянная. Энеpгия ядpа за вычетом собственной энеpгии нуклонов называется энеpгией связи ядpа. Именно эта энеpгия обусловлена взаимодействием нуклонов ядpа. Таким обpазом, по опpеделению

Унивеpсальный способ нахождения энеpгии связи ядеp основан на законе эквивалентности между массой и энеpгией, на законе Эйнштейна:

Число пpотонов в ядpе pавно поpядковому номеpу элемента в таблице Менделеева и обозначается чеpез Z, полное число нуклонов в ядpе называется массовым числом и обозначается буквой А. Отсюда, число нейтpонов в ядpе pавно А - Z. Следовательно, фоpмулу (5.5) можно пpедставить в виде

Здесь Мя - масса покоя ядpа, мп- масса покоя пpотона, мн- масса покоя нейтpона.

Ядерная энергетика (Атомная энергетика) — это отрасль энергетики, занимающаяся производством электрической и тепловой энергии путём преобразования ядерной энергии.

Термоядерная энергетика

Около 50 лет одним из наиболее перспективных и практически неисчерпаемых источников энергии для будущего человечества считается управляемый термоядерный синтез (УТС). Идея использования термоядерной реакции для энергетики родилась в начале 1950-х годов одновременно с созданием водородной бомбы.

В термоядерных реакциях синтеза участвуют прежде всего тяжелые изотопы водорода — дейтерий (Д) и тритий (Т), соответственно с двумя и тремя нейтронами в ядре. При этом из реакций Д+Д и Д+Т последняя энергетически в сто раз эффективнее, и во всех современных термоядерных установках пытаются осуществить именно ее. При слиянии ядер дейтерия и трития образуется нестабильное ядро гелия-5, которое быстро распадается на альфа-частицу (ядро гелия-4) и нейтрон с выделением энергии.

Поскольку в природном водороде дейтерия достаточно много (и его можно добывать, например, из морской воды), а трития нет совсем (он неустойчив, его период полураспада около 12,5 лет), в реальных проектах термоядерных реакторов тритий предлагается получать из лития. Энергетический эквивалент реакции таков, что 1 г лития соответствует 1 т у.т. В то же время доступные запасы лития в земной коре достаточно велики (во много раз больше, чем углеводородного топлива), причем добывать литий сравнительно несложно.

Крайне важное достоинство термоядерных реакций литий-дейтериевого цикла заключается в том, что при более высокой энергетиченской эффективности, чем в ядерных реакциях, здесь практически нет радиоактивных осколков деления (основной проблемы ядерного топливного цикла, с которой человечество столкнулось в Тримайл-Айленде и Чернобыле).

Однако реакция УТС оказывается возможной только в горячей плазме. Для получения полезной энергии надо последовательно достичь двух пороговых условий: «зажигания» реакции, т. е. ее положительного энергобаланса, и самостоятельного, самоподдерживающегося синтеза, уже не требующего внешнего «подогрева». Критерий реализации реакции УТС определяется температурой плазмы (не менее 100 млн °С), временем ее стабильного удержания при достаточно высокой плотности. И в дополнение к этому для самоподдержания реакции требуется обеспечить необходимый объем плазмы при высокой напряженности магнитного поля.

Каждый по отдельности из перечисленных параметров обеспечения УТС достигнут или даже существенно превзойден, однако получить устойчивый УТС пока не удалось.

Основное направление развития работ по УТС — создание нужных параметров плазмы в тороидальной магнитной ловушке ГОКАМАК.

Еще в 1985 г. был начат совместный (СССР, США, ЕС и Япония) проект ИТЭР экспериментального термоядерного реактора промышленного типа мощностью 1500 МВт. С 1992 г. после принципиального решения главных концептуальных вопросов начата инженерная разработка проекта. За инженерной проработкой должно было последовать принятие межправительственного решения по строительству демонстрационной термоядерной электростанции ТЯЭС.

Однако после распада СССР российская сторона не смогла соблюдать согласованные условия финансирования работ по своей части программы (по 50 млн дол. в год), а в 1999 г. из-за растущих разногласий между ЕС и США и научно-технологической конкуренции Вашингтон вообще прекратил финансирование проекта ИТЭР. Поэтому сейчас проект затормозился на стадии инженерной проработки.

Кроме систем удержания горячей плазмы в тороидальных магнитных ловушках типа ТОКАМАК, еще одним перспективным направлением разработки термоядерного реактора считается лазерно-импульсная технология. В ней на расположенный в фокусе группы лазеров шарик из смеси дейтерия и трития (или лития) синхронно воздействуют мощными лазерными импульсами, создающими в шарике, наряду с испарением его поверхности, необходимые для реакции температуру и давление плазмы и термоядерный микровзрыв. Однако пока что эта технология не вышла из стадии лабораторных экспериментов.

В то же время бесспорно, что огромный потенциал термоядерной энергетики, способный принципиальным образом разрешить большинство энергетических проблем человечества, заставляет продолжать активные работы по разработке технологий УТС.