Енергія ядерної реакції

Ядерна енергія – це енергія, що виділяється в реакціях за участю атомних ядер і елементарних частинок.

Яка це енергія і в будь-яких чи ядерних перетвореннях вона виділяється? Необхідно ввести кількісну характеристику виділилася енергії і визначити енергетичний вихід реакції як різниця «користі» і «витрат». Нехай кілька ядер, провзаємодіяти, перетворилися в інші ядра і елементарні частинки. Запишемо схему цього процесу:

X1 + X2 + … → X’1 + X’2 + ….

Як можна отримати енергію в результаті такої реакції? Тільки відібравши її у кінцевих ядер. Якщо в результаті реакції утворилися швидкі частинки, то, загальмувавши їх, ми перетворимо їх кінетичну енергію в теплоту, яка потім може бути перетворена в електричну енергію. Таким чином, «користь» – це кінетична енергія частинок (ядер), що утворилися в результаті реакції. А що таке «витрати»? Мабуть, це енергія, яку потрібно вкласти для того, щоб сталася ядерна реакція. І її дійсно доводиться вкладати. Це пов’язано з тим, що ядерні сили короткодіючі, тому, щоб ядра провзаємодіяти, їх потрібно зблизити на дуже малі відстані – близько 10-15 – 10-14 м. Але все ядра позитивно заряджені, кулонівських сили відштовхують їх один від одного. Значить, для того, щоб відбулася реакція, ядер потрібно повідомити кінетичну енергію, яка при їх зближенні перейде в роботу проти кулонівських сил. Це і є «витрати». Так ось енергетичним виходом реакції називають величину, рівну різниці кінетичних енергій продуктів реакції і початкових частинок, що беруть участь в процесі.

При пружному розсіянні, коли склад і стан часток не змінюються, в результаті реакції Q = 0 (в результаті пружного розсіювання частинки можуть тільки змінити напрямок свого руху).

Оскільки в ядерних реакціях зберігаються сумарний електричний заряд і сумарне число нуклонів A (останнє, щоправда, при енергіях ядер, що не перевищують ~ 300 МеВ), то вираз для енергетичного виходу можна переписати у вигляді:

Q = ΣjE’СВj – ΣiEСВi = Σjε’СВjA’j – Σε’СВiAj = (ε’СР – εСР) A.

де εСР і ε’СР – середня питома енергія зв’язку початкових та кінцевих ядер. Таким чином, енергетичний вихід ядерної реакції позитивний, якщо питомі енергії зв’язку кінцевих ядер більше питомих енергій зв’язку початкових ядер.

Залежність питомої енергії зв’язку від порядкового номера ядра дуже цікава. Питома енергія швидко збільшується зі зростанням Z (A) для легких ядер, досягає максимального значення, приблизно рівного 8 МеВ / нуклон в області Z = 26 (це залізо, Fe), а потім плавно убуває при русі до кінця таблиці Менделєєва. І саме наявність «залізного» максимуму визначає можливість отримання ядерної енергії. Очевидні два «шляхи руху в бік збільшення питомих енергій зв’язку» – розвал важких ядер і злиття (синтез) легких.

Аналіз ходу кривої питомої енергії зв’язку (див. Малюнок) показує, що при розподілі важких ядер можна отримати величезну кількість енергії. Адже «ядерне паливо» набагато калорийнее хімічного. Для практичного здійснення «ядерного горіння» необхідно, щоб, по-перше, ядерне паливо було доступним, т. Е. Досить поширеним в природі, а по-друге, щоб реакція поділу протікала в макроскопічних масштабах, коли одночасно розвалюються на осколки не поодинокі ядра , а макроскопическое число ядер. Оскільки навіть в радіоактивних препаратах, що містять макроскопическое кількість нестійких ядер, число розпадів в 1 з не така велика, для отримання потужного тепловиділення потрібно «спровокувати» розпад відносно стабільних ядер.

Посилання на основну публікацію