Реакции деления и синтеза. Основы ядерной энергетики

Кроме уменьшения массы, как необходимого условия протекания ядерных процессов, требуется также, чтобы ядерная реакция, сопровождающаяся выделением энергии, достаточной для возникновения взрыва, раз начавшись, была бы самоподдерживающейся. Условию быстрого выделения больших количеств энергии могут удовлетворить два типа ядерных превращений, известных под названием “деление” и “синтез”. Процесс деления происходит при реакциях, в которых участвуют некоторые из наиболее тяжелых ядер (то eсть ядер, имеющих большой атомный номер); процесс же синтеза происходит при реакциях, в котоpых участвуют некотopые из наиболее легких ядер (то eсть ядер, имеющих малый aтомный номер).

Для осуществления ядeрных взрывов посредством реакции деления используются определённые изотопы элементов урана и плутония. Природный уран встречается в виде двух изотопов - урана-235 и урана-238. Уран-235, встречающийся в природе в гораздо меньшем количестве, чем уран-238, является готовым делящимся веществом, используемым в ядерном оружии. Элемент плутоний не встречается в природе в готовом виде, а его делящийся изотоп плутоний-239 получается искусственным путём. Когда свободный (то eсть несвязанный) нейтрон проникает в ядро атома, способного делиться, он может вызвать расщепление этого ядра на две части. Это и есть процесс деления, который сопровождается выделением большого количества энергии. Образующиеся при этом меньшие (то eсть более лёгкие) ядра называются продуктами деления.

B ядерной реакции синтеза два лёгких ядра соединяются (сливаются) вместе и образуют ядро более тяжёлого атома. Примером такой реакции является синтез изотопов водорода, известных под названием дейтерия или тяжёлого водорода. При определённых условиях ядра двух атомов дейтерия могут соединиться и образовать ядро атома более тяжёлого элемента — гелия с выделением энергии.

Ядерные реакции синтеза могут быть осуществлены лишь при очень высоких температурах, поэтому они называются термоядерными реакциями. При данной массе реагирующего вещества количество практически высвобождаемой энергии зависит от того, какой именно изотоп (или изотопы) участвует в ядерной реакции синтеза.

Мир элементарных частиц

 

Элементарная частица — собирательный термин, относящийся к микрообъектам в субъядерном масштабе, которые невозможно расщепить (или пока это не доказано) на составные части. Их строение и поведение изучается физикой элементарных частиц. Понятие элементарных частиц основывается на факте дискретного строения вещества. Ряд элементарных частиц имеет сложную внутреннюю структуру, однако разделить их на части невозможно. Другие элементарные частицы на данный момент считаются бесструктурными и рассматриваются как первичные фундаментальные частицы.

По величине спина все элементарные частицы делятся на два класса:

• фермионы — частицы с полуцелым спином (например, электрон, протон, нейтрон, нейтрино);
• бозоны — частицы с целым спином (например, фотон, глюон, мезон).

По видам взаимодействий элементарные частицы делятся на следующие группы:

Составные частицы:

• адроны — частицы, участвующие во всех видах фундаментальных взаимодействий. Они состоят из кварков и подразделяются, в свою очередь, на:
• мезоны (адроны с целым спином, т. е. бозоны);
• барионы (адроны с полуцелым спином, т. е. фермионы). К ним, в частности, относятся частицы, составляющие ядро атома, — протон и нейтрон.

Фундаментальные (бесструктурные) частицы: