Явление деления атомного ядра заключается в его распаде на два (иногда более) осколка сопоставимой массы с одновременным выделением большого количества энергии. Этот процесс может быть спонтанным, но чаще наблюдается в индуцированной форме при поглощении ядром нейтрона.
Деление объясняется на основе модели жидкой капли, в которой ядро рассматривается как капля ядерной жидкости. Поглощение нейтрона приводит к увеличению возбуждённого состояния ядра, в результате чего оно становится нестабильным по отношению к деформации. При достижении критической деформации кулоновское отталкивание между частями ядра превышает силу поверхностного натяжения, и происходит деление.
Энергетический баланс деления характеризуется значительной величиной выделяемой энергии — порядка 200 МэВ на одно деление урана-235. Основные источники этой энергии:
Осколки деления обладают:
В результате одного акта деления выделяется в среднем 2–3 нейтрона, что делает возможным развитие цепной ядерной реакции. Важным параметром является эффективное число нейтронов, приводящее к новому акту деления — коэффициент размножения нейтронов, который должен быть не менее 1 для устойчивости цепной реакции.
Различают два типа цепных реакций:
Для развития цепной реакции необходимо соблюдение условия критичности: количество нейтронов, вызывающих последующие деления, должно быть равно или больше единицы. Это достигается при достаточной массе делящегося вещества — критической массе — и надлежащей геометрической конфигурации, обеспечивающей минимальные потери нейтронов.
Особую роль играют замедлители нейтронов (графит, тяжёлая вода), которые повышают вероятность захвата нейтрона ядром.
Наиболее изученными делящимися изотопами являются:
Примеры реакций деления:
Деление может сопровождаться испусканием дополнительных нейтронов, которые участвуют в следующем цикле цепной реакции.
Ядерный синтез — это процесс объединения лёгких ядер в более тяжёлое с высвобождением энергии. Основной энергетический механизм — это разность дефектов масс, когда масса объединённого ядра меньше суммы масс исходных ядер, а разность переходит в энергию согласно E = Δmc².
В природе синтез реализуется в звёздах и на Солнце. В лабораторных условиях — в термоядерных установках и в водородных бомбах.
Наиболее исследованные реакции:
Здесь D — дейтрон, T — тритий. Энергия, выделяющаяся при синтезе, огромна и превосходит энергию деления на единицу массы топлива.
Для слияния ядер требуется преодоление кулоновского отталкивания между положительно заряженными ядрами. Это возможно:
Так, термоядерные реакции начинаются при температурах порядка 10⁷–10⁸ K, что реализуется, например, в недрах звёзд.
Проблема управляемого синтеза состоит в создании условий, при которых:
Критерий Лоусона (Lawson criterion) определяет минимальные условия для энергетической выгодности синтеза: nτ ≥ 10¹⁴ с/см³ (для реакции D+T), где n — плотность плазмы, τ — время удержания.
Основные подходы:
| Характеристика | Деление ядра | Синтез ядра |
|---|---|---|
| Исходные элементы | Тяжёлые ядра (³²⁵U, ²³⁹Pu) | Лёгкие ядра (D, T) |
| Условия начала реакции | Захват нейтрона | Высокая температура |
| Продукты | Два средних ядра, нейтроны | Одно тяжёлое ядро, нейтрон |
| Энергия на один акт | ~200 МэВ | ~10–20 МэВ |
| Управляемость | Реализована | В разработке |
| Применение | АЭС, ядерное оружие | Потенциальный источник будущей энергии |
Удельная энергия, выделяемая при синтезе, в разы превышает таковую для деления. Однако технические трудности реализации управляемого синтеза пока препятствуют его широкому применению.
В отличие от деления, продукты синтеза, как правило, не радиоактивны или обладают коротким периодом полураспада, что делает его более экологически чистым источником энергии.
Ведущие мировые проекты:
Параллельно изучаются альтернативные топливные циклы — например, D–³He или p–¹¹B, обладающие преимуществом в виде безнейтронного синтеза, но требующие ещё более высоких температур.
Процессы синтеза, в отличие от деления, принципиально безопасны: малейшее отклонение от условий — и реакция прекращается. Нет риска цепной реакции. Это является ключевым аргументом в пользу развития термоядерной энергетики как будущего основного источника энергии на планете.