1.1. Ядерні сили та їх властивості. Ядерні реакції поділу і синтезу. Ланцюгова ядерна реакція. Ядерна енергетика та екологія.

ЯДЕРНІ СИЛИ. Нуклони в ядрі атома утримуються завдяки ядерним силам, які є проявом однієї з чотирьох фундаментальних взаємодій — сильної взаємодії. За своєю природою вони короткодіючі (г~ 10-15 м), але дуже інтенсивні. У межах атомного ядра вони майже у 100 разів переважають сили електростатичної взаємодії двох протонів і в 1038 разів — силу їхньої гравітаційної взаємодії. Проте на відстанях, більших за розміри ядер, вони настільки малі, що їхньою дією можна знехтувати.

Ядерні сили діють незалежно від наявності в нуклонах електричного заряду. Внаслідок цього в атомному ядрі утримуються електронейтральні нейтрони і не розлітаються однойменно заряджені протони. Експериментальні дослідження сил ядерної взаємодії протон-протонних, протон-нейтронних і нейтрон-нейтронних пар показали, що в усіх випадках вони однакові і не залежать від типу нуклона.

Ядерні сили — короткодіючі, оскільки проявляють себе на відстанях у межах атомного ядра (10^-15 м)

Обмінний характер ядерної взаємодії подібний до ковалентного зв'язку між атомами в молекулі, де роль такого «посередника» відіграють валентні електрони ЯДЕРНІ РЕАКЦІЇ. ПОДІЛ ЯДЕР АТОМІВ УРАНУ Ядерною реакцією в широкому розумінні цього слова наз. процес, який відбувається внаслідок взаємодії декількох атомних ядер або елементарних частинок. Ядерними реакціями у вузькому розумінні наз. такі, в яких серед вихідних частинок обов’язково є хоча б одне ядро.

Одним із найдивовижніших наслідків законів ядерної фізики стало перетворення атомних ядер одних елементів на інші внаслідок взаємодії з мікрочастинками або одного з одним. Це явище, назване ядерною реакцією, спостерігав ще Е. Резерфорд у 1919 р. під час бомбардування альфа-частинками ядер атомів азоту. Проте особливого значення воно набуло пізніше, коли було виявлено можливості його практичного використання в енергетиці.

На відміну від радіоактивного розпаду, який плине самочинно, ядерні реакції відбуваються під дією зовнішнього впливу, наприклад бомбардування ядер мікрочастинками. Вони можуть відбуватися з будь-яким ядром, але за певних умов — у разі зближення частинок на відстань дії ядерних сил (10^-15 м) і подолання ними енергетичних бар'єрів. Позитивно заряджені частинки мусять подолати також кулонівську взаємодію; незаряджені частинки можуть проникати в ядро, маючи незначну кінетичну енергію.

Історично перша ядерна реакція:

Момент імпульсу атомних ядер відтворюється напівцілим чи цілим квантовим числом, яке називається спіном

Механізм ядерних реакцій полягає в поглинанні частинки ядром, внаслідок чого воно збуджується. Спочатку відбувається перерозподіл внесеної в ядро енергії між усіма нуклонами. Таке ядро стає нестійким утворенням і з часом розпадається. Може статись так, що один із нуклонів або їх група в наслідок перерозподілу матимуть енергію, іншу за енергію зв'язку ядра. Тоді відбудеться також викидання цього нуклона (груші нуклонів) з ядра, тобто ядерна реакція і упроводжуватиметься випромінюванням протона, нейтрона або альфа-частинки.

Внаслідок ядерної реакції утворюється нове ядро — продукт ядерної реакції і випромінюються частинки і гамма-кванти

Для ядерних реакцій справджуються закони збереження енергії, імпульсу, моменту імпульсу, зарядового числа, які визначають кінцеві продукти реакції та її енергетичний вихід. Енергетично вигідними є ядерні реакції, в результаті яких енергія виділяється. Енергетичний вихід таких реакцій обчислюють як різницю енергій ядер і частинок до реакції і після неї: якщо вона додатна, то енергія виділяється. Під час перебігу ядерних реакцій може відбуватися злиття ядер (реакція синтезу) чи їх поділ. Реакцію синтезу легких ядер називають термоядерною. Щоб сталася «перебудова» легких ядер внаслідок їх парних зіткнень, необхідно подолати електростатичне відштовхування між ними і зблизити їх на відстані дії ядерних сил. Тому термоядерні реакції потребують високих енергій взаємодіючих ядер, яких можна досягати, наприклад, за високих температур (108 К і вище). У земних умовах досягти таких температур можна лише за допомогою ядерного вибуху або в потужному імпульсі лазерного випромінювання .У природних умовах термоядерні реакції синтезу відбуваються в надрах зірок і є основним джерелом їхньої енергії.

Перша термоядерна реакція була здійснена в 1932 році на швидких протонах

Ядерну реакцію поділу атомних ядер уперше спостерігали у 1939 р. німецькі вчені О. Ган і Ф. Штрасман. Вони встановили, що під час бомбардування ядер атомів Урану нейтронами вони діляться на дві приблизно однакові частинки.

Внаслідок кожного такого поділу вивільняється 2—3 нейтрони і близько 200 МеВ енергії. Ф. Жоліо-Кюрі висловив думку, що під впливом потоку вивільнених нейтронів ядерна реакція поділу ядер атомів Урану може розвиватися як ланцюгова.

Щоб ланцюгова реакція розвивалася, потрібно підтримувати незмінним потік нейтронів і створити умови для їх проникнення в ядра атомів Урану. З цією метою треба достатню масу Урану вміщувати в обмеженому просторі, створювати так звані критичні умови. Тоді нейтрони потраплятимуть в ядра, викликаючи подальший їх поділ. Мінімальну масу, за якої ланцюгова реакція відбувається самочинно, називають критичною. ЯДЕРНИЙ РЕАКТОР. ЯДЕРНА ЕНЕРГЕТИКА ТА ЕКОЛОГІЯ

У 1942 США було збудовано перший ядерний реактор, в якому ланцюгова реакція поділу ядер атомів Урану стала керованою. Це дало поштовх бурхливому розвитку атомної (ядерної) енергетики.

Перший в Європі ядерний реактор було збудовано в 1946 році під керівництвом І. В. Курчатова в Обнінську (Росія)

Ядерний реактор складається з: активної зони, де відбувається ядерна реакція, поглиначів нейтронів, захисного кожуха, парогенератора, турбіни та електричного генератора.

Принцип його дії полягає у використанні вивільненої внаслідок ядерної реакції енергії для здобуття електричної напруги.

Потужність ядерного реактора в 1 МВт відповідає ланцюговій реакції, за якої відбувається 3-Ю16 актів поділу ядер Урану за 1 с

Ядерні реактори є основою атомних електростанцій (АЕС). Нині у світі налічується понад 1000 ядерних енергетичних установок. Атомна енергетика вважається економічно найвигіднішою і високотехнологічною. Вона використовує останні досягнення науки, сучасні автоматизовані системи керування технологічним процесом на основі ЕОМ, потребує високої кваліфікації працівників.

Експлуатація АЕС потребує запровадження широкого спектра засобів контролю і радіаційної безпеки.