1.2. Ядерные заряды

Устройства, предназначенные для осуществления взрывного процесса освобождения внутриядерной энергии, называются ядерными зарядами. В настоящее время различают два основных класса ядерных зарядов:

- заряды, энергия взрыва которых обусловлена цепной реакцией в делящихся веществах, переведенных в надкритическое состояние, — атомные заряды;

- заряды, энергия взрыва которых обусловлена реакциями деления и синтеза ядер, — термоядерные заряды.

Атомные заряды.

Основным элементом атомных зарядов является делящееся вещество. До взрыва делящееся вещество в заряде находятся в подкритическом состоянии. Для получения взрыва оно переводится в надкритическое состояние. По принципу перевода делящегося вещества в надкритическое состояние атомные заряды разделяются на заряды пушечного и имплозивного типов. В зарядах пушечного типа две или больше частей делящегося вещества, масса каждой из которых меньше критической, быстро соединяются друг с другом в надкритическую массу в результате взрыва обычного взрывчатого вещества — «выстреливания» одной части в другую. При создании зарядов по такой схеме трудно обеспечить высокую надкритичиость делящегося вещества, вследствие чего коэффициент полезного использования его невелик. Достоинством схемы пушечного типа является возможность создания зарядов сравнительно малого диаметрами высокой стойкости к воздействию механических нагрузок, что позволяет использовать их в артиллерийских снарядах и минах.

В зарядах имплозивного типа делящееся вещество, имеющее при нормальной плотности массу меньше критической, переводится в надкритическое состояние повышением его плотности в результате всестороннего обжатия с помощью взрыва обычного взрывчатого вещества. В таких зарядах представляется возможность получить высокую надкритичность и, следовательно, высокий коэффициент полезного использования делящегося вещества. Максимальное увеличение плотности делящегося вещества достигается при его сферическом обжатии в результате взрыва сферического слоя взрывчатого вещества.

Термоядерные заряды. Основными элементами термоядерного заряда являются термоядерное горючее и атомный заряд—инициатор реакции синтеза. В связи с тем что дейтерий и тритий в свободном состоянии представляют собой газы, а тритий, кроме того, является радиоактивным и дорогостоящим изотопом, в качестве первичного термоядерного горючего обычно используют дейтерид лития-6 — твердое вещество, представляющее собой соединение дейтерия и лития-6. При облучении лития-6 нейтронами, возникающими при взрыве атомного заряда (инициатора реакции синтеза), образуется тритий, который и вступает в реакцию синтеза с дейтерием. Образующиеся при реакции синтеза нейтроны вновь приводят к образованию трития, а следовательно, к поддержанию реакции синтеза.

Термоядерные заряды условно разделяют на обычные и специализированные. Для обычных термоядерных зарядов распределение энергии взрыва между поражающими факторами близко к ее распре делению при взрывах атомных зарядов, для специализированных — характерно резкое изменение распределения энергии взрыва между поражающими факторами по сравнению с ее распределением при взрывах атомных зарядов. К специализированным термоядерным зарядам относятся, например, нейтронные, «чистые» и др. Для нейтронных зарядов характерны в несколько раз больший удельный (на единицу энергии взрыва) выход нейтронов и повышенная их энергия. У «чистых» зарядов резко снижен вклад в общее энерговыделение реакции деления, т. е. резко уменьшен выход радиоактивных продуктов. В процессе реакции синтеза образуется большое количество нейтронов с высокой энергией, которые способны вызывать деление ядер урана-238. Поэтому для увеличения энергии взрыва в термоядерных зарядах используют оболочки из урана-238 — самого распространенного и наиболее дешевого изотопа урана.

Синтез лёгких ядер (дефект массы) и Парадокс моделей вселенной

Ядерная энергетика синтеза основана на синтезе легких ядер, протекающего при высоких температурах Т ³ 100 * 106 К, когда реагирующая среда является полностью ионизированным газом – плазмой. Изучаются различные схемы удержания горючей плазмы.

Первые опытные энергетические ректоры синтеза – термоядерные реакторы, - вероятно, будут построены к концу этого века.

В настоящее мировое производство энергии соответствует сжиганию около 10 млрд. т обычного топлива в год. В следующем веке эта величина, вероятно, возрастет в несколько раз. Ядерная энергетика способна обеспечить длительное развитие человечества без ограничений со стороны топливных ресурсов.

Синтез легких ядер

Если W > 0, то распад ядра энергетически запрещен. Но в обратном процессе - слиянии ядер X1 и X2 - энергия исходной системы должна уменьшится на величину W. Продукты синтеза приобретут кинетическую энергию W.

Высвобождающаяся энергия, отнесенная к одному нуклону дейтерия, значительно больше энергетического выхода на один нуклон делящегося изотопа урана-235. Для реализации таких реакций необходимо сблизить ядра на расстояние R ~ 10-14м, затратив энергию k0 e2/R ~ 0,15 ¸0,3 МэВ, поэтому реакции остаются энергетически выгодными. Поскольку тритий очень радиоактивен, то реакция с использованием 3He более безопасна.

Надежды на практическую реализацию управляемого термоядерного синтеза продолжают оставаться "умеренно оптимистическими" на протяжении более 40 лет.

Если бы удалось осуществить управляемые термоядерные реакции в промышленных услових, то это дало бы доступ к практически неисчерпаемым источникам энергии и избавило бы человечество от угрозы энергетического кризиса. С другой стороны, если взорвутся те огромные запасы водородных бомб, которые накоплены (и продолжают накапливаться многими странами, несмотря на окончание т.н. холодной войны), то человечество и большая часть всего живого на Земле будет уничтожено.

сточником огромной энергии может служить реакция синтеза атомных ядер — образование из легких ядер более тяжелых. Удельная энергия связи ядер резко увеличивается при переходе от ядер тяжелого водорода (дейтерия Н и трития Н) к литию Li и особенно к гелию Нe, т. е. реакции синтеза легких ядер в более тяжелые должны сопровождаться выделением большого количества энергии, что действительно подтверждается расчетами.

Реакции синтеза атомных ядер обладают той особенностью, что в них энергия, выделяемая на один нуклон, значительно больше, чем в реакциях деления тяжелых ядер. Реакция синтеза ядер дейтерия может происходить лишь при температуре, на два порядка превышающей температуру центральных областей Солнца.

Однако оказывается, что для протекания реакции синтеза атомных ядер достаточно температуры порядка 107 К. Это связано с двумя факторами: 1) при температурах, характерных для реакций синтеза атомных ядер, любое вещество находится в состоянии плазмы, распределение частиц которой подчиняется закону Максвелла; поэтому всегда имеется некоторое число ядер, энергия которых значительно превышает среднее значение; 2) синтез ядер может происходить вследствие туннельного эффекта.

Реакции синтеза легких атомных ядер в более тяжелые, происходящие при сверхвысоких температурах (примерно 107 К и выше), называются термоядерными реакциями.

Термоядерные реакции являются, по-видимому, одним из источников энергии Солнца и звезд. В принципе высказаны два предположения о возможных способах протекания термоядерных реакций на Солнце:

1) протонно-протонный, или водородный, цикл, характерный для температур

2) углеродно-азотный, или углеродный, цикл, характерный для более высоких температур Особый интерес представляет осуществление управляемой термоядерной реакции, для обеспечения которой необходимо создание и поддержание в ограниченном объеме температуры порядка 108 К. Так как при данной температуре термоядерное рабочее вещество представляет собой полностью ионизованную плазму, возникает проблема ее эффективной термоизоляции от стенок рабочего объема. На данном этапе развития считается, что основной путь в этом направлении — это удержание плазмы в ограниченном объеме сильными магнитными полями специальной формы.

2 Энергия связи атомных ядер

Экспериментальные измерения масс атомных ядер, выполненные с большой точностью, показывают, что масса ядра всегда меньше суммы масс составляющих его нуклонов.

Энергия связи - это энергия, которую необходимо затратить, чтобы разделить ядро на составляющие его нуклоны.

Энергия связи, отнесенная к массовому числу А, называется средней энергией связи нуклона в атомном ядре ( энергия связи на один нуклон ).

Энергия связи приблизительно постоянна для всех стабильных ядер и примерно равна 8 МэВ. Исключением является область легких ядер, где средняя энергия связи растет от нуля (А=1) до 8 МэВ для ядра 12С.

Аналогично энергия связи на один нуклон можно ввести энергию связи ядра относительно других составных его частей.

В отличие от средней энергии связи нуклонов количество энергии связи нейрона и протона изменяется от ядра к ядру.

Часто вместо энергии связи используют величину, называемую дефектом массы и равную разности масс и массового числа атомного ядра.

3 Радиоактивность

3.1 Общие сведения

Явление радиоактивности, или спонтанного распада ядер, была открыта французским физиком А. Беккерелем в 1896 г. Он обнаружил, что уран и его соединения испускают лучи или частицы, проникающие сквозь непрозрачные тела и способные засвечивать фотопластинку, Беккерель установил, что интенсивность излучения пропорциональна только концентрации урана и не зависит от внешних условий (температура, давление) и от того, находится ли уран в каких-либо химических соединениях.

Английскими физиками Э. Резерфордом и Ф. Содди было доказано, что во всех радиоактивных процессах происходят взаимные превращения атомных ядер химических элементов. Изучение свойств излучения, сопровождающего эти процессы в магнитном и электрическом полях, показало, что оно разделяется на -частицы (ядра гелия), - частцы (электроны) и - лучи (электромагнитное излучение с очень малой длиной волны ) [4].

Атомное ядро, испускающее -кванты, -, - или другие частицы, называется радиоактивным ядром. В природе существует 272 стабильных атомных ядра. Все остальные ядра радиоактивны и называются радиоизотопами.