2.3 Ядроның бөлінуі және термоядролық синтез

Ядроның бөлінуі. 1938 жылы неміс ғалымдары О. Ган және Ф. Штрассман уранды нейтрондармен сәулелендіргенде, периодтық жүйенің орта тұсындағы барий және лантан деп аталатын екі элементтің түзілетінін байқады. Бұл құбылыстың дұрыс түсінігін неміс ғалымдары О. Фриш және Лиза Мейтнер берді. Олардың болжамы бойынша, нейтронды қармалаған уран ядросы шамамен бөліну жарықшағы деп аталатын екі бірдей жарықшаққа бөлінеді.

О. Фриш және Л. Мейтнер ядроның бөлінуі туралы қорытынды жасағанда, ядроның сұйық тамшысына ұқсастығын пайдаланды. Ядроның бөлінуі кезінде пайда болатын ядро-жарықшақтар, нейтрондар санының протондар санына, N/Z қатынасына қарағанда аз болды. Демек, бастапқы ядро бөлінгенде, жарықшақтармен бірге нейтрондар ұшып шығады деп күтілді. Көп ұзамай – ақ, бұл болжамның дұрыстығы да тәжірибе жүзінде дәлелденді. Сөйтіп, әрбір бөліну актысы кезінде ядродан шамамен алғанда 2-3 нейтрондар ұшып шығатын болды.

Нейтрондармен бөлінген жарықшақтардың артықша жүктелуін ілезде және кешігіп бөлінетін нейтрондар азайта алмайды. Сондықтан да жарықшақтардың көпшілігі радиоактивті болады және -сәулелерін шығаратын тізбекті -түрленулерді басынан өткізеді. Бөлінудің бір жолы төмендегідей түрде өтеді.

(2.29)

Бөліну жарықшақтары – цезий және рубидий – түленуге ұшырайды

(2.30)

(2.31)

Нейтронды қармалау нәтижесінде пайда болған ядросы тұрақты емес (жарты ыдырау периоды Т = 23 минутқа тең). Электрон антинейтринно және - фотон шығарған ол, трансурандық элемент нептунийге айналады. Нептуний де ыдырауға (Т = 2,3 күн) ұшырап, плутонийге айналады. Бұл тізбекті түрленулер мынадай түрде жүреді

(2.32)

Плутоний -радиоактивті бірақ оның жарты ыдырау периоды өте үлкен (24400 жыл). Сондықтан оны іс жүзінде тұрақты деп қарауға болады.

Торий ядросының нейтронды қармалауы нәтижесінде табиғатта кездеспейтін, бөлінетін изотобының түзілуіне әкеледі.

(2.33)

Тізбекті реакцияны сипаттайтын тағыбір шама-реакцияның жылдамдығы. Егер n тізбекті реакцияның бір бөлігіндегі нейтрон саны болса, онда келесі бөлігінде олар nk болады. Сондықтан бір актыдағы нейтрондардың өсу саны мынадай болады

(2.34)

Уақыт бірлігіндегі нейтрондардың өсу саны, яғни тізбекті реакцияның даму жылдамдығын былай анықтайды

(2.35)

(2.35) өрнегін интегралдасақ, мынаны аламыз

(2.36)

Мұндағы n₀ – реакцияның t = 0 болған кезіндегі нейтрондардың саны, n–t уақыт кезеңіндегі нейтрондар саны, -екі бөліну актысының арасындағы уақыт; n-нейтрон саны (k - 1)-дің таңбасынан тәуелді ( >0 оң шама). Егер (k-1)>0 болса, онда k >1 болады да, уақытқа байланысты n өседі, демек, бұл кезде тізбекті реакцияны үдемелі (дамымалы)деп атайды.

Тізбекті реакцияны басқару үшін уақытын өзгертіп отыру керек. Біз жоғарыда k>1 болғанда тізбекті реакцияда қопарылыс болады дедік. Осы жағдайда атом бомбасының принципі негізделген. Атом бомбасында уран – 235 не плутоний-239 қолданылады. Бұл аталған элементтермен тізбекті реакция жүргенде, қопарылыс болуы олардың массалары кризистік массадан артық болғанда өтеді. Сондықтан -тің не -дің біреуі алып оның қопарылысын тұрғызу үшін оны екі бөлікке бөліп (әрқайсысы кризистік массадан кіші болатындай етіп) қояды. Қопарылысты болдыру үшін осы екі кесекті тез бір-біріне тиістіру керек. Бұл келесідей суретте көрсетілген.

Сурет 2.5. Тізбекті реакция жүрген кездегі қопарылыс болдыру кезіндегі схемасы.

Реттік нөмерлері Z₁ және Z₂ болатын ядролардың нуклондық тебілу күштерінің әсерінен болатын потенциалдық тосқауылдан өтуі үшін өздерінің қажетті энергиясы болуы керек.

(2.37)

Мұндағы r_я – ядролық күштердің әсер радиусы, оның шамасы – ^-13 см. Тіпті Z₁=Z₂=1 болған жағдайдың өзінлде де, бұл энеригяның шамасы мынадай болады .

Алғашқы термоядролық реакция сутегі бомбасында (немесе термоядролық бомба) жүргізілген. Осындай бомбада, запал (тұтандырғыш) ретінде жарылған кезде 10⁷ К температура беретін, атом бомбасы пайдаланылады. Мұнда дейтрон (d) мен тритий ядросының ( ) синтезделу реакциясы жүреді [18,33 б].

Сурет 2.6. Сутегі бомбасының схемасы.

Сутегі бомбасының мықты металл қабығы болу керек, оның мөлшері атом бомбаларының мөлшерінен үлкен болады. Бұл қабықтың ішінде дейтерий мен тритийден құралатын сутегі жанарының қоры болады. Оған жақын жерде уранның немесе плутонийдің (атом бомбаларының заряды), бірінен – бірі қашық орналасқан екі кесегі (А) болады. Уранның немесе плутонийдің бөліктерін жақындату үшін кәдуілгі қопарғыш заттың К (тротил) заряды пайдаланылады. Тротилдің қопарылысы кезінде атомдық зарядтар жақындасады. Олар келіп қосылысқанда атом қопарылысы пайда болады. Температура өте жоғары көтеріледі, сол кезде сутегі жанарында да қопарылыс болады.

Сутегі бомбасының кризистік массасы жоқ, сондықтан оның қуатында шек жоқ.

(2.38)

Мұндағы реакция кезінде - бөлінетін энергия, оның шамасы~17,6 МэВ. Мұны әрбір нуклонға шақсақ, онда бір нуклонның үлесіне~3,5 МэВ энергия тиеді. Салыстыру үшін уран ядросының бөлінуі кезінде, босап шыққан энергияның бір нуклонға тиетін үлесі~0,85 МэВ болатынын еске салайық. Біз жоғарыда термоядролық реакциялар өте жоғары 10⁸-10⁹ К температурада, аса тиімді түрде, өтеді. Бұл темепературада тіршіліктің көзі болып табылатын Күннің бетінің (Т= ⁷К) температурасынан да асып кетеді. Мұндай термоядролық реакцияларда заттар плазмалық күйде болады.Термоядролық реакцияның протон-протондық цикл кезінде екі протон қосылып, позитрон және электрондық нейтрино шығарып, дейтерийге түрленуі былай өтеді

(2.39)

Одан әрі түзілген дейтрон (дейтерий), протонмен соқтығысып, онымен бір ядроға бірігеді.

(2.40)

Циклдың жалғасу ықтималдығы энеригя бөлінетін реакция болып табылады

(2.41)

Мұндағы бөлшегінің симболы.

Өте жоғары температурада өтетінм көміртегі-азот циклында сутегі ядросы мен гелий ядросының бірігу реакциясының «катализаторының» рөлін көміртегі ядросы атқарады.

Циклдің бас кезінде жылдам протон көміртегі ядросына еніп кетеді

(2.42)

Жарты ыдырау периоды 14 минут радиоактивті азот изотобында

түрленуі жүреді және көміртегі изотобы түзіледі.

(2.43)

Жарты ыдырау периоды 3 мин. Болатын тұрақсыз ядросы, позитрон және нейтрино шығарып, ядросына түрленеді

(2.44)

Цикл шамамен алғанда цикл 100 мың жыл өткенде дейін жүретін реакциямен аяқталады.

(2.45)

Бұл циклді Г. Бете ұсынған болатын. Біз қарастырған соңғы 4 циклда, 4 протон жоғалып, бір -бөлшегі түзілді. Көміртегі ядроларының саны да сондай болып қалды. Сондықтан бұл ядролар реакцияда катализатордың рөлін атқарды [19].

Гелийдің бір ядросынан 26,8 МэВ энергия бөлінеді, оны гелийдің грамм-атомына шаққанда, 700 мың кВт сағат энергия болады. Осы энергияны Күннің шығарған энергиясына теңгеруге жеткілікті. Сонымен біз қарастырған цикл тұйық және үздіксіз жүріп жатады. Демек, осы циклдің барлық стадиялары Күн жүйесінде әртүрлі уақытта басталып, бір мезгілде.

Термоядролық синтез энергиясын лабораториялық жағдайда алу үшін ғалымдар 50-ші жылдардан бастап ізденуде. Термоядролық реакциялардың ауыр ядроларды бөлу реакцияларына қарағанда бірқатар артықшылығы бар. Себебі синтезге керек «жанар» заттың бірі, мысалы дейтерий мұхит суында жеткілікті. Термоядролық синтез кезінде шығатын энергия мөлшері ядроларды бөлу кезіндегіден анағұрлым көп. Мысалы, 1 г. гелий түзілгендегі энергия 10⁵ кВт сағ., ол 1 г. уран ядросы бөлінгенде шығатын энергиядан 10 есе көп. Синтез кезінде ядроларды бөлуге қарағанда радиоактивті сынықшалар болмайды.

Ядролық реактор. Тізбекті ядролық реакцияларды басқаруды жүзеге асыратын қондырғыларды ядролық реакторлар деп атайды. Ядролық реакторлардың жұмысына отын ретінде табиғи (немесе байытылған уран изотобы ) уран алынады. ядроларының нейтронды радиациялық қармалауын (ол әсіресе нейтронның энергиясы шамамен 7 эВ болғанда интенсивті түрде жүреді) болдырмау үшін бөлінетін заттарды үлкен емес блоктарға салып, оларды бір-бірінен бір шама алшақ қашықтыққа орналастырады, сонан кейін блоктар арасын нейтрондарды жылулық қозғалысқа дейін баяулататын затпен толтырады. Уран-238 ядросының жылулық нейтрондармен бөліну қимасы 200 есе көп (580 барн). Сондықтан, нейтрондардың ядросымен салыстырғанда ядросымен кездесуі 140 есе көп болса да, радиациалық қармалау бөлінуге қарағанада аз болады. Міне, осы себептен барлық қондырғының кризистік өлшемі үлкен болғанда, нейтрондардың көбею коэффисиенті (яғни бірінен кейін бірі туатын екі кезекті сатылардағы туатын нейтрондар санының қатынасы) бірден үлкен мәндерге жетуі мүмкін.

Нейтрондардың баяулауы серпімді соққылар есебінен жүреді. Бұл жағдайда баяулайтын бөлшектердің жоғалтатын энергиясы соқтығысатын бөлшектердің массаларының қатынасынан тәуелді болады. Егер соқтығысатын екі бөлшектің де массалары бібрдей болса, онда жоғалатын энергияда максимальды болады. Осы көзқарас тұрғысынан алғанда ең тәуір, яғни идеал баяулатқыш құрамында сутегісі көп кәдімгі су болып табылар еді. Алайда, мұндай заттар баяулатқыш ретінде жарамсыз болады, себебі протондар нейтрондарды жұтып олармен реакцияласады.

(2.46)

Баяулатқыштың ядросының нейтронды қармалау қимасы аз болып және оларды серпімді шашырату қимасы үлкен болуы керек.

Баяулатқышы бар реакторлар баяу (жылулық) нейтрондармен жұмыс жасайды. Байытылған бөлінетін изотоптарды (уран-235 не плутоний-239) отын ретінде жұмсағаннан кейін, жылдам нейтрондармен жұмыс жасайтын реакторларды құруға болады. Мұндай реакторларда нейтрондардың белгілі бір бөлігі уран – 238- ді плутоний -239-ға түрлендіруге немесе торий -232-ні уран-233-ке түрлендіруге кетеді. Жылулық нейтрондармен бөлінуге қабілеті бар жаңадан түзілген ядролар саны, реактордың жұмыс істеуін ұстап тұру үшін жұмсалған (бөлінген) ядролар санынан артық болады.