Ефим Балабанов - Ядерные реакторы

Очевидно, что через некоторое время после резкого повышения температуры ядра из него вылетит (испарится) какая-нибудь частица. Энергия, необходимая для вылета этой частицы, соответствует теплоте испарения жидкости.

Аналогию ядра с жидкой каплей можно провести значительно дальше. Ядро, как уже указывалось, состоит из двух сортов частиц: протонов и нейтронов, и, следовательно, его нужно сравнивать со смесью двух жидкостей. Скорость испарений каждой из этих жидкостей зависит от температуры. Так же и в ядре при определенных условиях может быть наиболее вероятен вылет нейтрона или протона. Раскаленная жидкая капля железа излучает видимый свет. Нагретое до высокой температуры ядро также излучает гамма-лучи, обладающие способностью проникать через толстые непрозрачные слои.

Над поверхностью нагретой воды вы всегда наблюдаете туман. Это то, что в нашей практике не совсем верно называют паром. Капельки тумана состоят из большого числа молекул и образуются при конденсации паров после выхода с поверхности жидкости. Примерно то же наблюдается в ядерных реакциях. Часто вылетают не отдельные частицы, а целое ядро, состоящее из четырех ядерных частиц, — альфа-частица. Правда, аналогия здесь не совсем полная. Альфа-частица, по-видимому, образуется внутри ядра, а капли тумана — после выхода молекул с поверхности жидкости.

После вылета какой-нибудь частицы ядро охлаждается так же, как охлаждается при усиленном испарении жидкость. Как на испарение жидкости, так и на вылет частицы затрачивается энергия. В том случае, когда ядро обладает большой остаточной энергией, возможен вылет второй частицы. Но если остатка энергии не хватает для удаления второй частицы, ядро охлаждается испусканием света — гамма-излучением.

Не все частицы легко могут проникнуть в положительно заряженное ядро атома. Протону или альфа-частице, несущим положительные заряды, нелегко подойти к одноименно заряженному ядру. Сильное электростатическое поле ядра будет отталкивать такую частицу. Преодолеть электростатические силы и попасть в область действии ядерных сил может только достаточно быстрая, обладающая большой энергией заряженная частица.

Очень долго физики пользовались альфа-частицами, выбрасываемыми ядрами радиоактивных элементов при естественном их распаде. Однако для осуществления многих ядерных реакций необходимы элементарные частицы с большими энергиями, которые при радиоактивных превращениях не получаются. Чтобы получить частицы с бóльшими энергиями, надо сообщить им большие скорости движения.

Ускоренные заряженные частицы можно получать в так называемых ускорителях и этими быстрыми частицами бомбардировать ядра различных веществ. Часть заряженных частиц попадает в атомные ядра и производит ядерные реакции.

Например, быстрый протон, попадая в ядро легкого элемента лития, совершает следующую реакцию (рис. 7):

Ядро лития содержит три протона и четыре нейтрона. После его слияния с протоном мы будем иметь новое ядро, содержащее восемь частиц (четыре протона и четыре нейтрона). Это уже изотоп бериллия с массовым числом, равным восьми. Но ядро бериллия 8неустойчиво и очень быстро распадается на две альфа-частицы (ядра гелия). При этом освобождается большое количество энергии.

После открытия в 1932 году Жолио-Кюри и Чадвиком нейтронов исследователи получили новое мощное средство для осуществления ядерных реакций. Нейтроны — незаряженные частицы, и на них не действуют электрические силы. Поэтому подойти к ядру и произвести ядерное превращение могут даже очень медленные нейтроны. Больше того, очень часто медленные нейтроны гораздо активнее, чем быстрые, производят ядерные превращения. Такие нейтроны находятся вблизи ядра большее время и поэтому легче захватываются ядерными силами ядра.

При захвате ядром нейтрона получается новое ядро, и так как нейтрон не имеет заряда, оно остается ядром изотопа первоначального химического элемента.

Даже самый медленный нейтрон, «упавший» под действием ядерных сил в ядро, приносит с собой значительную энергию. В результате захвата нейтрона ядро «нагревается». Охлаждение полученного ядра может, как мы уже говорили, проходить несколькими способами: из него выбрасывается одна или две частицы или испускаются гамма-лучи.

Например, целый ряд реакций с нейтроном дает ядро азота. На быстрых нейтронах может идти реакция с испусканием альфа-частицы:

Может идти также реакция, где из ядра азота 15вылетают две частицы. Происходит как бы размножение нейтронов:

На медленных нейтронах очень часто происходит такая реакция:

Эта реакция интересна тем, что дает нам искусственное радиоактивное вещество — углерод 14с периодом полураспада 5100 лет:

В результате обоих ядерных превращений мы опять получим ядро азота 14. Но вместо захваченного нейтрона из ядра вылетели протон (водород 1) и электрон.

Типичной нейтронной реакцией с испусканием гамма-лучей является захват протоном нейтрона и образование изотопа водорода — дейтерия:

Используя современные мощные источники нейтронов, можно получать значительные количества различных элементов, редко встречающихся в природе. Например, сверхтяжелый водород — тритий — можно получить в ядерной реакции:

Тритий — радиоактивный изотоп водорода, и за время около 12 лет половина его атомов распадается. При этом тритий превращается в устойчивый изотоп гелия с массовым числом 3, одновременно испуская электрон:

В настоящее время физики умеют даже превращать ртуть в золото. При этом может быть использована следующая ядерная реакция:

Правда, это золото обходится дороже самородного. Кроме того, оно неустойчиво и быстро распадается, излучая электрон (период полураспада 2,7 дня):

Тем не менее не исключена возможность получения дешевого золота из ртути или из других элементов. Но сейчас перед наукой стоят другие, более важные задачи.

Когда физик намеревается исследовать ту или иную ядерную реакцию, перед ним сразу встают вопросы: как велика вероятность осуществления этой реакции? Сколькими частицами надо обстрелять данное ядро, чтобы произошло ядерное превращение? Мы не будем входить в подробности этого вопроса: он достаточно сложен. Следует указать только, что не каждая заряженная частица, попадая в ядро, совершает ядерную реакцию. Огромное большинство частиц под действием электрических или ядерных сил рассеивается вблизи ядра и не производит ядерной реакции. Исключение составляют так называемые резонансные реакции, когда частицы, обладающие определенной скоростью (энергией), легко проникают в ядро.