1.Ядерні реакції. Їх класифікації.

Ядерна реакція - явище перетворення ядер атомів хімічних елементів і елементарних частинок.

Ядерні реакції можуть відбуватися спонтанно або при бомбардуванні речовини швидкими частинками. Спонтанні ядерні перетворення є причиною природної радіоактивності.

Як і хімічні реакції, ядерні реакції можуть бути ендотермічними й екзотермічними.

Ядерні реакції поділяються на реакції розпаду та реакції синтезу.

Особливим типом ядерної реакції є поділ ядра.

Історія

Першу штучно викликану ядерну реакцію спостерігав у 1919 році Ернест Резерфорд, опромінюючи альфа-частинками азот. Реакція проходила за схемою

.

Закони збереження при ядерних реакціях

При ядерних реакціях виконуються загальні закони збереження енергії, імпульсу, моменту імпульсу та електричного заряду.

Окрім того існує низка специфічних для ядерної фізики законів збереження, наприклад, закон збереження баріонного заряду.

Види ядерних реакцій

Ядерні реакції синтезу

Під час ядерних реакцій синтезу з легких ядер елементів утворюються нові, важчі ядра. Реакція відбувається з виділенням енергії. Зазвичай реакції синтезу можливі тільки при за умови високих температур, коли ядра набувають великої кінетичної енергії, оскільки кулонівські сили відштовхування перешкоджають зближенню заряджених частинок, створюючи потенціальний бар'єр. Штучним шляхом цього вдається досягти за допомогою прискорювачів заряджених частинок.

Протон-протонний цикл у зорях

У природі реакції синтезу важчих ядер з легших відбуваються у ядрах зір, наприклад, у Сонці. Через високу температуру у ядрі (близько 10×10⁶K) деякі протони завдяки високій кінетичній енергії вступають в ядерні реакції з утворенням важчих ядер.

Внаслідок високої кінетичної енергії два протони долають електростатичне відштовхування і зближуються на характерну відстань сильної взаємодії (1,3×10^-15 м). При цьому вони утворюють проміжний стан — дипротон, який є нестабільною системою. Відбувається перехід до стану з меншою енергією: u-кварк одного протона перетворюється у d-кварк із випроміненням W⁺-бозону (бета-плюс розпад). W⁺-бозон нестабільний, тому розпадається на позитрон та електронне нейтрино. Таким чином, утворюється система нейтрон—протон — дейтрон. Бета-розпад є початковим фактором протон-протонного циклу.

Дейтрон взаємодіє з протоном та утворює ядро гелію-3 з випроміненням гамма-квантів. На наступному етапі взаємодіють два ядра гелію-3, що обумовлює синтез ядра гелію-4 з випроміненням двох протонів та гамма-квантів.

• p + p → ²D + e⁺ + ν_e + 0.4 МеВ

• ²D + p → ³He + γ + 5.49 МеВ

• ³He + ³He → ⁴He + 2p + 12.85 МеВ

Таким чином, з чотирьох протонів синтезуються одне ядро атома гелію. Під час синтезу одного кілограма гелію виділяється 6,3×10¹⁴ Дж енергії).

Ядерні реакції розпаду

1939 року було виявлено, що ядра урану-235 здатні не тільки до спонтанного поділу (на два легших ядра) з виділенням ~200 МеВ енергії та випроміненням двох-трьох нейтронів, але й до вимушеного поділу, що ініціюється нейтронами. Враховуючи, що у результаті такого поділу теж випромінюються нейтрони, які можуть викликати нові реакції вимушеного поділу сусідніх ядер урану, стала очевидною можливість ланцюгової ядерної реакції. Така реакція не відбувається у природі лише тому, що природний уран на 99,3% складається з ізотопу урану-238, а до реакції поділу придатний тільки уран-235, якого у природному урані міститься лише 0,7%.

Механізм ядерної реакції розпаду полягає у наступному. Ядерні сили через взаємодію обмінними віртуальними частинками (у більшості випадків відбувається піон-нуклонна взаємодія), час життя яких, відповідно до принципу невизначеності Гейзенберга, обмежений невеликою величиною dt = h'/dE = R/V = (1,3*10^-15/3*10¹⁰) * (140/8)^0,5 = 2,3*10^-23 с, мають нецентральний характер. Це означає, що нуклони не можуть взаємодіяти одночасно з усіма нуклонами у ядрі, особливо у багатонуклонних ядрах. При великій кількості нуклонів у ядрі це обумовлює асиметрію густини ядерних сил та наступну асиметрію нуклонного зв'язку, а отже, і асиметрію енергії по об'єму ядра. Ядро набуває форми, яка суттєво відрізняється від сферичної. У такому разі електростатична взаємодія між протонами може за величиною енергії наближатися до сильної взаємодії.

Таким чином, внаслідок асиметрії, енергетичний бар'єр поділу долається, і ядро розпадається на легші ядра, асиметричні за масою.

Іноді ядро може тунелювати у стан з меншою енергією.

2.Кварки (від англ. quark - квак, кряк) — фундаментальні частинки, з яких за сучасними уявленнями складаються адрони, зокрема протони та нейтрони. На сьогодні відомо 6 сортів (їх прийнято називати «ароматами») кварків: d,u,s,c,b і tКварки мають спін 1/2ħ де ħ - зведена стала Планка, та дробовий електричний заряд. Кожен кварк має також один з трьох кольорів (ще одне квантове число, подібно до спіну чи аромату). Кожному з шести кварків відповідає своя античастинка - антикварк.Властивості кварків=На відміну від інших елементарних частинок, кварки мають не цілий, а дробовий електричний заряд кратний 1/3 елементарного заряду.Усім кваркам, крім d та u, приписується певне ароматове квантове число (ароматовий заряд): дивність, чарівність, красу та правдивість. За абсолютною величиною цей заряд приймається рівним 1, а знак прийнято вибирати таким, як і знак електричного заряду кварка.Ізоспін кварків дорівнює 1/2, а отже його проекція, в залежності від аромату кварка, може приймати два значення: -1/2 та +1/2.Кварки можна згрупувати у три покоління. До кожного покоління належать два кварки, які мають протилежні за знаком проекції ізоспіну, один з них має заряд -1/3, а другий +2/3.Кваркам приписується також баріонний заряд величиною 1/3, антикваркам, відповідно, -1/3. Таким чином, баріони, що складаються з трьох кварків, мають баріонний заряд 1, їхні античастинки, що складаються з трьох антикварків, -1, а мезони, що складаються з кварка і антикварка, мають баріонний заряд 0.За масою розрізняють легкі: d,u,s та важкі: c,b і t кварки.

Позначення та назва		елек- тричний заряд	Ароматові квантові числа				про- екція ізо- спіну	барі- онний заряд		маса
			див- ність	чарів- ність	краса	прав- дивість
Перше покоління
d	нижній (down)	−1/3	0	0	0	0	−1/2	1/3	~ 4 МеВ
u	верхній (up)	+2/3	0	0	0	0	1/2	1/3	~ 6 МеВ
Друге покоління
s	дивний (strange)	−1/3	− 1	0	0	0	−1/2	1/3	150 МеВ
c	чарівний (charm)	+2/3	0	1	0	0	1/2	1/3	1.5 ГеВ
Третє покоління
b	красивий (beauty, bottom)	−1/3	0	0	−1	0	−1/2	1/3	4.5 ГеВ
t	правдивий (true, top)	+2/3	0	0	0	1	1/2	1/3	175 ГеВ

Кожному кварку відповідає антикварк, що має протилежний за знаком електричний заряд, ароматове число, проекцію ізоспіну та баріонний заряд −1/3 (див. також Античастинка). Взаємодія кварків=Кварки беруть участь у кожному з чотирьох типів фундаментальних взаємодій.Протони та нейтрони, які дають найбільний внесок у масу видимої матерії Всесвіту, складаються із кварків. Отже, явище гравітаційної взаємодії між зірками, планетами та іншими астрономічними об’єктами це значною мірою прояв участі кварків у гравітаційній взаємодії.Участь кварків у електромагнітній взаємодії проявляється у глибоко непружному розсіянні електронів або мюонів на адронах, у перетвореннях (анігіляції) електрон-позитронної пари в адрони тощо, а також у властивостях адронів: наявності у них електричних зарядів та магнітних моментів. Електромагнітна взаємодія не змінює квантових чисел: аромат, колір, проекція ізоспіну тощо залишаються незмінними.

Завдяки слабкій взаємодії відбувється перетворення кварків зі зміною їхніх ароматів, однак колір кварка при цьому не міняється. Проекція ізоспіну внаслідок слабкої взаємодії може міняти знак, однак може й залишатись незмінною. Зміна ароматів кварків проявляє себе, зокрема, у слабких розпадах адронів, наприклад у розпаді вільного нейтрона на електрон і антинейтрино. Зі слабкими взаємодіями кварків пов’язане також глибоко непружне розсіяння нейтрино на адронах.Сильна взаємодія утримує кварки всередині адронів. Кварки взаємодіють між собою шляхом обміну глюонами. При цьому відбувається зміна кольору кварка, однак його інші квантові числа: аромат та проекція ізоспіну залишаються незмінними. Властивості сильної взаємодії не дозволяють кварку вилетіти за межі адрона. Це явище отримало назву конфайнменту. Воно має наслідком відсутність у природі вільних кварків.

Білет № 30

1.Міжнародний Експериментальний Термоядерний Реактор (англ. International Thermonuclear Experimental Reactor, ITER) — проект, який передбачає побудову, випробовування і використання Міжнародного експериментального термоядерного реактора.

На момент 2008 р. проектування ITER повністю завершене, вибране місце його будівництва — дослідницький центр «CEA-Cadarache» (м. Кадараш, Франція), розпочата реалізація інженерного проекту.

Технічні дані

ITER — термоядерний реактор типу «токамак». Два ядра: дейтерію і тритію зливаються з утворенням ядра гелію (альфа-частинка) і високоенергетичного нейтрону.

Характеристики реактора за проектом:

Загальний радіус конструкції 10,7 м

Висота 30 м

Великий радіус плазми 6,2 м

Малий радіус плазми 2,0 м

Об'єм плазми 837 м3

Магнітне поле 5,3 Тл

Максимальний струм у плазмовому шнурі 15 МА

Потужність зовнішнього нагріву плазми 40 МВт

Термоядерна потужність 500 МВт

Коефіцієнт посилення потужності 10x

Середня температура 100 млн.°С

Тривалість імпульсу > 400 c

Участь України в проекті

Попри те, що між Україною і ЄС існує договір про співпрацю в галузі термоядерного синтезу, на державному рівні участі в проекті ITER Україна досі не бере. Ймовірною причиною є брак фінансування науки державою, адже для повноцінної участі в проекті потрібно зібрати 1 млрд. євро.

Однак, слід зазначити, що на рівні наукових інститутів, організацій та установ українські вчені беруть активну участь в проекті. Зокрема фахівці з України працюють над розробкою окремих елементів: оболонки, засоби та пристрої магнітної діагностики реактора.

Однією з форм співпраці українських та європейських вчених - це міжнародні проекти Українського Науково-Технологічного Центру (УНТЦ). Зокрема було виконано такі проекти, що стосувались даної галузі:

Проект № 3535 „Інтелектуальні гальваномагнітні засоби для діагностики магнітного поля ITER” (2005-2007рр).

Проект № 3988 „Радіаційностійкі холлівські зонди та пристрої для JET” (2007-2010рр).

Національний комплекс лазерних термоядерних реакцій (англ. National Ignition Facility, NIF) — науковий комплекс для здійснення керованого термоядерного синтезу з інерційним утриманням плазми (англ. Inertial confinement fusion, ICF) за допомогою лазерів. Комплекс розташований у Ліверморській національній лабораторії імені Лоуренса в місті Лівермор (штат Каліфорнія, США). Директор проекту NIF — Едвард Мозес (англ. Edward Moses).

На спорудження комплексу пішло 12 років і 3,9 млрд доларів США. Про завершення будівництва було повідомлено 31 березня 2009 року. Очікується, що вихід термоядерної енергії на установці вперше перевищить енергію, витрачену на запуск реакції.

Технічні характеристики установки

Схема лазерного комплексу термоядерних випробовувань.

Комплекс складається із 192 потужних лазерів, що одночасно будуть скеровані на міліметрову мішень у золотому циліндрі, де буде міститись дейтерій та тритій. Потужність лазерної установки — 500 терават. Температура мішені сягатиме десятків мільйонів градусів, при цьому відбудеться її стискання в 1000 разів.

Усі 192 УФ-лазери, що спрямують потік частинок на мішень у центрі цільової камери, беруть свій початок від одного інфрачервоного лазера, промінь якого ділиться на безліч потоків. Кожен з них загалом долає відстань у 300 м, проходячи самостійно ланцюг з велетенських лазерних підсилювачів і перетворювачів частот. Тривалість кожного імпульса становить від одної до декількох наносекунд, а узгодженість часу приходу всіх променів до мішені таке, що розбіжність між найшвидшим і найповільнішим імпульсом не перевищує 30 пікосекунд. Кожен промінь в кінцевому результаті потрапляє в чітко відведену йому точку на внутрішній поверхні золотого контейнера, де створює світлову пляму діаметром 50 мкм.

Стеларатор (від лат. stella — зоря) — замкнута магнітна пастка для утримання високотемпературної плазми. Стеларатор є одним із типів термоядерних реакторів для здійснення процесу керованого термоядерного синтезу.

Стеларатор винайшов американець Лайман Спітцер у 1951 році в цілях вирішення проблеми керованого термоядерного синтезу. Такі установки можуть складати конкуренцію установкам типу "Токамак".

Токамак — тороїдальна установка для магнітного утримання плазми. Пристрій призначений для здійснення реакції термоядерного синтезу в високотемпературній плазмі в квазістаціонарному режимі, при цьому плазма утворюється в тороїдальній камері і її стабілізує магнітне поле. Енергія, що виділяється під час цієї реакції повинна перевищити енергію, що витрачається для формування плазми і запуску реакції.

Принцип роботи реактора типу «токамак»

Токамак за своїм принципом є електрофізичною установкою, основним призначенням якого є формування плазми (тобто розігрів газу до 100 млн. градусів), досягнення її високої густини та досягнення її тривалого збереження в чітко визначеному об'ємі. Це дозволить здійснити термоядерну реакцію синтезу ядер гелію з вихідної сировини, ізотопів водню (дейтерію і тритію). У ході реакції повинна виділитись енергія, що значно перевищує енергію, витрачену на формування плазми.

Токамак по своїй суті має вигляд тора: тороїдальна вакуумна камера, на який намотаний провідник, що формує тороїдальне магнітне поле. Основне магнітне поле в камері-пастці, що містить гарячу плазму, утворюється тороїдальними магнітними котушками. Значну роль в утриманні плазми відіграє плазмовий струм, що протікає уздовж кругового плазмового шнура і створює магнітне поле спеціальної конфігурації.

Поява нової енергії Головна причина стійкості зоряних термоядерних реакцій — величезні розміри реакторів, та й часи циклів реакцій обчислюються мільйонами років.Як же в наших обмежених масштабах створити подібне? У 1945 році на далекому Сахаліні в учня вечірньої середньої школи Олегам Лаврентьєва блиснула смілива ідея, що обіцяла створення штучного земного сонця. Як писав сам Олег Олександрович, він “сформулював принцип теплової ізоляції електричним полем цілком іонізованого газу з метою промислової утилізації термоядерних реакцій” і не довго думаючи направив пропозицію прямо на адресу І.В.Сталіна. Лист залишився без відповіді, але повторна пропозиція в ЦК ВКП(б) спрацювала миттєво. У 1954 році ця ідея, виявилася дуже плідною, була втілена в Інституті атомної енергії (ІЕА). З'явилася перша дослідницька термоядерна установка токомак. Згодом А.Д.Сахаров, вже академік, засвідчив: “Підтверджую, що в червні чи липні 1950 р. я рецензував роботу О.А.Лаврентьєва . Ознайомлення з роботою Лаврентьєва послужило поштовхом, що сприяє прискоренню моєї спільної з І.Е.Таймом роботи з магнітної термоізоляції високотемпературної плазми”. Але дійсність виявилася складніше. З'ясувалося, що в тороідальному полічастки за кожний оберт будуть зміщатися з області більш сильної напруженості (внутрішній периметр тороіда) в область слабкої напруженості (зовнішній периметр) і вся плазма “вивалиться” на зовнішню стінку, не встигнувши розігрітися до термоядерних температур. Правда, вихід швидко знайшли: для утримання плазми в рівновазі силовілінії її магнітного полюсу треба завити по спіралі. Двадцять років по тому ця робота зіграла історичну роль і стала однією з основ теорії токамаків. У 1969 році на міжнародній конференції в Дубні було оголошено, що в плазмі токамака Т-3 досягнута фантастична для того часу температура - 7-10 млн. градусів. Почалося всесвітнє “звертання в токамаки”. Зараз на токамаках, крім Росії, працюють у США, Великобританії, Франції, ФРН, Італії, Японії, Китаї, Австралії, Лівії, Угорщині й інших країнах. Виявилося, що в замкнутих магнітних системах положення класичної теорії парних зіткнень часток плазми, на яку тоді спиралися учені, не виконуються. А в 1965 році відомі радянські фізики Р.З.Садєєв, А.А.Галєєв і Л.М.Коврижних створили нову теорію, за що згодом були визнані гідними Ленінської премії. 2. Умови керованого ядерного синтезу

Термоядерний синтез - процес злиття легких атомних ядер при високих температурах з виділенням енергії. Процес синтезу інтенсивно протікає тільки між легкими ядрами, що володіють малим позитивним зарядом і тільки при температурах 10 К, коли кінетична енергія ядер, що зіштовхуються, виявляється достатньою для подолання кулонівських сил відштовхування.

У природних умовах термоядерні реакції між ядрами водню протікають у надрах зірок і служать постійним джерелом енергії для їх випромінювання. На Землі має сенс використовувати лише найбільш ефективну з термоядерних реакцій, а саме злиття двох ізотопів водню - дейтерію і тритію.

В енергетично вигідних термоядерних реакціях беруть участь насамперед ізотопи водень-дейтерій (Д) і тритій (Т). При цьому з двох реакцій Д+Д і Д+Т остання в сто разів ефективніше, і у всіх сучасних установках намагаються здійснити саме її. При злитті ядер дейтерію і тритію утвориться нестабільне ядро, що швидко розпадається на альфа-частинку (ядро гелію-4) з енергією 3,5 Мев і нейрон з енергією 14,1 Мев (тобто 20( і 80( загальної енергії відповідно): Д+Т( 4Не++ (3,5 Мев)+n(14,1 Мев). Справа ускладнюється тим, що “готового” тритію в природі майже немає. Але вихід знайдений: цей ізотоп виробляється в самому реакторі з літію. Таким чином, у термоядерних реакціях, у тому числі в токамаках, буде, по суті, “спалюватися” літій, один грам якого в цьому випадку відповідає тонні умовного палива. А доступні запаси літію на Землі на три порядки перевершують запаси органічного палива, причому добувати літій порівняно нескладно. Для одержання корисної енергії в реакціях ядерного синтезу треба послідовно досягти двох граничних умов: “запалювання” реакції, те є позитивного енергобалансу, і самостійного, синтезу, що самопідтримується, що вже не вимагає зовнішнього “підігріву”.Крім того, необхідні визначена щільність і час існування плазми при даній температурі. У 1957 році англійський фізик Дж.Лоусон вивів відповідний критерій: добуток щільності плазми n (число часток у кубічному метрі її обсягу) на час існування ( (вимірюване в секундах) при температурі Т=108 До повинно бути не менш 2*1020 с/м3. У цих умовах енергобаланс термоядерної реакції буде позитивним, тобто загальний вихід енергії перевищить енерговитрати на нагрівання. Але досягнення першої граничної умови – запалювання - ще не забезпечує другого, тобто самопідтримки реакції. Уся надія лише на заряджені ядра гелію. Щоб вони удержалися в зоні реакції, а їхньої енергії вистачило на її самопідтримка, магнітне поле повинне мати визначену напруженість У, а плазма- визначений обсяг V. Добуток цих двох величин BV називається фактором утримання, що і характеризує ступінь самозабезпеченості реакції.