Процесс ядерного синтеза. Ядерные реакции деления и синтеза

Известно, что вещества состоят из молекул и атомов. Атом, в свою очередь, содержит ядро и элементарные частицы - электроны, протоны и нейтроны. Взаимодействие атомных ядер между собой порождает ядерные реакции деления и синтеза. Эти процессы приводят к высвобождению или поглощению большого количества энергии.

История открытия

Впервые процесс ядерной реакции наблюдался Резерфордом в 1919 году. При помощи специального устройства - камеры Вильсона - были сделаны фотографии этих реакций.

Спустя 20 лет в Германии было впервые обнаружено деление ядер урана. Этот процесс получил название ядерный распад. На основании этого явления в 1942 был построен первый ядерный реактор.

Процесс, обратный распаду, получил название ядерная реакция синтеза. Поскольку тяжелые ядра в этом случае образуются за счет теплового движения, процесс называют термоядерным синтезом.

ядерный синтез

Суть процесса

Процесс ядерного синтеза проходит следующим образом. Два или более атомных ядра подвергаются сближению между собой. Между ними возникает взаимодействие, которое преобладает над так называемыми силами кулоновского отталкивания. Данное взаимодействие приводит к образованию новых, более тяжелых ядер. В момент создания ядра высвобождается значительное количество энергии. Эта энергия впоследствии используется человеком.

Топливо для реакций

Для проведения ядерного синтеза чаще всего применяются тяжелые изотопы водорода - дейтерий и тритий. Они требуют меньше энергии для проведения реакции по сравнению с выделяемой энергией в процессе слияния. В принципе, для синтеза могут использоваться и другие виды топлива, например, дейтерий и гелий-3, монотопливо дейтерия и другие.

Так называемые "безнейтронные" реакции (например, с гелием) являются более перспективными, поскольку в ином случае нейтронный поток уносит часть энергетической мощности реакции. К тому же, "безнейтронные" реакции меньше способствуют радиоактивному загрязнению.

Условия проведения реакции

Для корректного проведения процесса ядерного синтеза необходимо выполнение двух условий.

  1. Реагирующее вещество должно быть нагрето до высочайших температур. Только достаточное количество энергии приводит к процессу столкновения ядер.
  2. Термоизолированность реакции - второе необходимое условие: температура нагреваемой смеси должна поддерживаться постоянной в течение всего времени проведения реакции.

Термоядерный реактор

Устройством для проведения ядерного синтеза является термоядерный реактор. Его главное назначение - обеспечить постоянство оптимальных условий для реакции. На выходе должно получиться большее количество энергии, чем требовалось для проведения реакции.

Несмотря на то, что процесс слияния атомных ядер исследуется уже несколько десятилетий, термоядерный реактор по-прежнему остается лишь проектом. Соблюдение условий протекания ядерных реакций достижимо пока лишь в лабораторных условиях.

Наиболее перспективным проектом термоядерного реактора в настоящее время является ИТЭР - ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor).

реактор ИТЭР

Строительство площадки для реактора началось в 2007 году. Располагаться он будет во Франции, в исследовательском центре Кадараш. Окончание строительства изначально было запланировано на 2016 год, но финансовые издержки оказались выше ожидаемых. На данный момент годом открытия реактора предположительно называют 2025.

Термоядерный реактор - международный проект. В его строительстве принимают участие страны Евросоюза, Россия, Индия, Китай, США, Япония и другие.

Холодный ядерный синтез

Как уже было отмечено, термоядерные реакции осуществимы лишь при воздействии высочайших температур. Таким образом, энергозатраты на их проведение являются довольно существенными. Это породило спекуляции на тему холодного ядерного синтеза (ХЯС).

Теоретически, ХЯС является процессом, при котором слияние ядер обеспечивалось бы не под воздействием экстремальных температур, а при обычных термо-условиях, например, при комнатной температуре.

Начиная с 1989 года, регулярно поступают сведения, что той или иной ученой группе удалось провести реакцию холодного синтеза. Однако на настоящий момент все эти заявления были недостоверными.

Впервые подобное заявление было сделано учеными университета Юты (США) - Флейшманом и Понсом. Они объявили, что им удалось провести реакцию при комнатной температуре. Экспериментального подтверждения их словам не было выявлено.

Флейшман и Понс

В дальнейшем еще несколько ученых заявляли о сенсационном открытии, но каждый раз информация не подтверждалась научно. На сегодняшний день реакция холодного ядерного синтеза остается лишь желанной перспективой.

Термоядерные процессы в космосе

Процессы ядерного синтеза играют огромную роль в эволюции Вселенной. Солнце и звезды - это гигантские термоядерные реакторы. Под воздействием высоких температур в них происходит слияние ядер атомов водорода, и появляется гелий. Его ядра тоже сливаются, образуя новые элементы. Реакции длятся на протяжении миллионов лет, пока не выгорит все звездное вещество. В ходе этих процессов образуется большое количество энергии. Именно энергия Солнца подарила жизнь Земле.

ядерные процессы в звезде

Применение ядерных реакций

Энергия ядерного синтеза и ядерного распада имеет огромное значение для человечества. Результаты реакций применяются в различных сферах деятельности. Ниже представлены некоторые из них.

  1. Энергетика. Основное следствие ядерных реакций - выделение энергии. Поэтому в сфере энергетики им нашлось главное применение. Ядерные реакции требуют достаточно небольшое количество топлива, а энергия, производимая в ходе процесса, является огромной. В частности, на Земле содержится большое количество урана, являющегося одним из главных источников ядерного топлива. Энергия атомного ядра используется в атомных электростанциях, на атомных подлодках и ледоколах. В перспективе ядерное топливо сможет применяться на космических кораблях.
  2. Медицина. Ядерные реакции могут использоваться в таких отраслях медицины, как кардиология, онкология и неврология. Радиоизотопы широко применяются в диагностике. Радиоактивные элементы входят в состав некоторых лекарств. Метод брахитерапии используется для доставки небольшого источника радиации к больному органу с целью разрушения патологических образований. К сфере ядерной медицины также иногда относят лучевую терапию.
  3. Создание новых химических элементов. Ядерные реакции приводят к появлению новых элементов, занимающих свое место в периодической системе.
  4. Вооружение. Применение ядерного деления и ядерного синтеза в военной сфере является неоднозначным. Создание ядерного оружия может привести к серьезным последствиям для всего человечества.
    Атомная бомба

Ядерная угроза

В 1945 году мир был потрясен трагедией японских городов Хиросимы и Нагасаки. Правительство Соединенных Штатов сбросило две атомные бомбы на Японию, мотивируя это стремлением положить конец Второй мировой войне.

Последствия данного события оказались шокирующими. Атомная бомба доказала свою эффективность, практически до основания разрушив оба города. Мощность взрывов была колоссальной. За годы войны уже был проведен ряд испытаний ядерного оружия, но впервые оно было применено против населения.

атомный взрыв

Атомный взрыв не только унес огромное количество жизней. Выжившие после сброса бомбы ощутили на себе страшные последствия спустя несколько лет. Радиация привела к появлению лучевой болезни - недуга, проявившегося не только у людей, оказавшихся вблизи взрыва, но и у детей, родившихся в дальнейшем у этих людей.

Атомные взрывы приводят к большим выбросам ионизирующего излучения. Радиация способна сохранять свои ионизирующие свойства на протяжении десятков и сотен лет, распространяясь через атмосферу, загрязняя воды, выпадая в виде осадков.

Ядерное оружие являет серьезную угрозу. Гонка вооружений, продолжавшаяся практически всю вторую половину 20 века, поставила планету перед возможностью Третьей мировой войны. В настоящее время многие страны имеют ядерное оружие, ставя под угрозу жизнь всего человечества.

Не только ядерное вооружение может таить опасность. Объекты мирного назначения также могут привести к печальным последствиям при недостатке контроля. Трагедия на Чернобыльской АЭС в 1976 году наглядно демонстрирует, что может произойти, если недооценивать ядерную мощь.

Чернобыльская АЭС

Реакции ядерного синтеза и ядерного распада являются важными достижениями науки. Открытия в данной сфере могут использоваться как во зло, так и во благо. Правильное отношение к ядерным процессам позволяет минимизировать риски использования атомного потенциала.