Розглянемо три ядра AZX, A1Z1X1, A2Z2X2, таких, що A = A1 + A2, Z = Z1 + Z2. Будемо припускати, що ядро X "складається" з ядер X1 і X2.
Записуючи для кожного ядра співвідношення (1), отримаємо
| (4) |
де
| (5) |
Якщо W 0, те ядро X стійко щодо розпаду на ядра Ядро, маса якого більше суми мас ядер X1, X2, хитке і може розпастися. При цьому внутрішньоядерні енергія - W перейде в кінетичну енергію уламків X1 і X2.
Крім енергії в ядерних реакціях зберігається електричний заряд Z = Z1 + Z2, число нуклонів A = A1 + A2. Виконуються також і ряд додаткових законів збереження, про які буде сказано в розділі, присвяченому властивостями елементарних частинок.
| Рис. 5 |
Поділ ядер урану
Аналіз залежності Eсв (Z, A) (див. Рис. 2) показує, що для важких ядер з Z 82 виконується умова W 0. Наприклад, ізотоп 23592U мимовільно розпадається з напівперіодом 7.108 років. Виявилося також, що цей ізотоп розщеплюється при поглинанні нейтрона. При цьому, в кожному акті поділу ядра виникають два ядра-осколка, 8-10 -квантів і в середньому 2,5 нейтронів. Якщо ці нейтрони викликають нові акти поділу, то виникає самопідтримується ланцюгова реакція. При розподілі кожного ядра виділяється 200 МеВ (див. ліву половину Рис. 5, де схематично зображено реакція
|
При розподілі 1 кг урану 235U виділяється 8,19 · 1013 Дж. (Питома теплота згоряння нафти в 20 мільйонів разів менше.)
У природному урані міститься лише 0,711% ізотопу 23592U. У природної суміші ізотопів, в якій на одне ядро 23592U доводиться 140 ядер 23892U, нейтрони не здатні підтримувати реакцію. Можна, однак, отримати ланцюгову реакцію в сумішах природного (або низькозбагаченого 2%) урану із спеціальними речовинами - сповільнювачами нейтронів. При збагаченні до 20 - 25% потреба в сповільнювача відпадає. При цьому відбувається перетворення 23892U в плутоній 23994Pu, який ділиться також легко як і 23592U - процес відтворення ядерного палива.
Реакція йде за схемою послідовних - розпадів:
|
(У дужках вказані час напіврозпаду.) Тільки три країни - Росія, Франція і Японія - мають достатній досвід у цій високої технології.
| Рис. 6 |
Перші реактори створені в США (1942 р.) і в СРСР (1946 р.). В даний час у Франції ядерна енергетика дає 73% всієї виробленої енергії, в США - 22%, в Росії - 13%.
Загальний вигляд однієї з АЕС, побудованої в США, показаний на Рис. 6.
Синтез легких ядер
Якщо W 0, то розпад ядра енергетично заборонений. Але в зворотному процесі - злиття ядер X1 і X2 - енергія вихідної системи повинна зменшиться на величину W. Продукти синтезу придбають кінетичну енергію W.
На правій половині Рис. 5 зображено реакція злиття
|
Однак найбільший інтерес представляють реакції
|
|
Вивільняється енергія, віднесена до одного нуклони дейтерію, значно більше енергетичного виходу на один нуклон що ділиться ізотопу урану-235. Для реалізації таких реакцій необхідно зблизити ядра на відстань R 10-14м, витративши енергію k0 e2 / R 0,15 0,3 МеВ, тому реакції залишаються енергетично вигідними. Оскільки тритій дуже радіоактивний, то реакція з використанням 3He більш безпечна.
Надії на практичну реалізацію керованого термоядерного синтезу продовжують залишатися "помірковано оптимістичними" протягом більше 40 років.
Якщо б вдалося здійснити керовані термоядерні реакції в промислових умовах, то це дало б доступ до практично невичерпних джерел енергії і позбавило б людство від загрози енергетичної кризи. З іншого боку, якщо вибухнуть ті величезні запаси водневих бомб, які накопичені (і продовжують накопичуватися багатьма країнами, не дивлячись на закінчення т.зв. холодної війни), то людство і велика частина всього живого на Землі буде знищено.