Тема 44Деление и синтез ядер. Источники энергии Солнца и звёзд

Ядерную энергию можно получить двумя способами: делить тяжёлые ядра или сливать лёгкие.

Деление ядер урана

В 1938 году Отто Ган и Фриц Штрассман обнаружили: ядро урана, поглотив нейтрон, делится на два осколка — например, барий и криптон — и выбрасывает 2–3 нейтрона:

Поглотив нейтрон, ядро начинает колебаться и вытягиваться, а электрическое отталкивание протонов разрывает его на части. При каждом делении выделяется около 200 МэВ энергии — в основном это кинетическая энергия осколков, которая переходит во внутреннюю энергию вещества.

Цепная реакция

Вылетевшие нейтроны могут разделить соседние ядра, нейтроны от тех — следующие ядра, и так далее.

Коэффициент размножения нейтронов $k$ — отношение числа нейтронов в новом «поколении» к их числу в предыдущем:

• $k<1$ — реакция затухает;
• $k=1$ — идёт с постоянной скоростью (атомная электростанция);
• $k>1$ — нарастает лавиной (атомная бомба).

В маленьком куске урана нейтроны вылетают наружу, не успев никого разделить.

Термоядерный синтез

Лёгкие ядра при слиянии тоже выделяют энергию, причём в расчёте на нуклон даже больше, чем при делении:

Чтобы ядра сблизились, преодолев электрическое отталкивание, нужна температура в десятки миллионов градусов.

Почему светят Солнце и звёзды

В недрах Солнца при температуре около 15 млн градусов водород превращается в гелий: из четырёх протонов получается одно ядро гелия. Каждую секунду Солнце превращает в гелий около 600 млн тонн водорода, а его масса уменьшается на 4 млн тонн — она уходит в виде излучения. Водорода хватит ещё примерно на 5 млрд лет.

Управляемый термоядерный синтез на Земле пока изучают на установках-токамаках, например в международном проекте ИТЭР.