Радиоактивные семейства. Получение искусственных радионуклидов. Реакции деления и синтеза, управляемые ядерные реакции

Размещено на http://www.allbest.ru/

Реферат

По дисциплине «Радиобиология»

Тема: «Радиоактивные семейства. Получение искусственных радионуклидов. Реакции деления и синтеза, управляемые ядерные реакции»

Лукошюс Елизавета

Москва 2017 г.



Введение

В наше время в силу продвижения научно-технического прогресса ядерная физика и радиобиология, сопряженные друг с другом дисциплины, не отстают в развитии. Синтезируются все новые и новые искусственные радионуклиды, увеличивается количество занятых ячеек в периодической системе химических элементов. Благодаря новым радионуклидам и новым способам их синтеза открывается дорога для новых тактик лечения онкологических заболеваний, возможность создания новых веществ и материалов из них, а также, что немаловажно, шанс в дальнейшем избежать новых техногенных катастроф и сделать атом действительно мирным.



Радиоактивные семейства

Радиоактивное семейство (радиоактивный ряд) - это совокупность всех изотопов ряда элементов, возникающих в результате последовательных радиоактивных превращений из одного материнского элемента (родоначальника).

В природных рядах наблюдается только б- и в-распад. Так как при б-распаде масса атома изменяется на четыре единицы, а при в-распаде изменение массы пренебрежимо мало, то массовые числа элементов, образующих радиоактивный ряд, различаются на величины, кратные четырем. Поэтому возможно существование радиоактивных рядов четырех типов. Атомные массы членов этих рядов выражаются числами: 4n, 4n+1, 4n+2, 4n+3. радиоактивный ядерный реактор нейтронный изотоп

Ряды урана, актино-урана и тория до сих пор существуют в природе (их периоды полураспада близки к возрасту Земли). Ряд нептуния практически полностью распался и синтезируется в ядерных реакторах.

Семейство урана-радия

Массовые числа элементов, входящих в семейство урана, определяются общей формулой 4n+2, где n - целое число. Действительно, атомный вес = 4• 59 + 2, атомный вес = 4• 56 + 2. Семейство урана и превращения, имеющие место в этом ряду, представлены на рисунке 1.



Рисунок 1. «Семейство урана и его радиоактивные превращения»

В составе продуктов распада изотопов урана находятся радиоактивные изотопы элементов с порядковыми номерами от 81 до 92.

Семейство тория

Торий с массовым числом 232 является родоначальником 4n-семейства, или семейства тория, конечным стабильным продуктом которого является свинец с массовым числом 208. Атомная масса = 4 • 58, атомная масса находящегося в ториевом ряду = 4• 56 + 2. Радиоактивное семейство тория представлено на рисунке 2.

Рисунок 2. «Радиоактивное семейство тория и его превращения»

В составе продуктов распада изотопов тория находятся радиоактивные изотопы элементов с порядковыми номерами от 81 до 90.

Семейство актиния (актино-урана)

Семейство актиния, или 4n+3 семейство, имеет родоначальником актино-уран (уран с массовым числом 235) и конечным стабильным продуктом свинец с массовым числом 207.

Радиоактивное семейство актино-урана представлено на рисунке 3.

Рисунок 3. «Семейство актино-урана и его радиоактивные превращения»

Радиоактивные изотопы ряда урана-актиния всегда сопутствуют и находятся в семействе урана-радия.

Весьма интересным является близкое сходство трех радиоактивных семейств по характеру цепей и по положению в периодической системе.

После цепочки последовательных распадов в конце каждого ряда образуются стабильные ядра с близкими или равными магическим числам количествами протонов и нейтронов (Z=82, N=126), соответственно ²⁰⁸Pb (4n), ²⁰⁶Pb (4n+2), ²⁰⁷Pb (4n+3), ²⁰⁹Bi (4n+1). б-Распады изотопов каждого ряда перемежаются с в-распадами, так как при б-распадах конечные ядра оказываются все дальше от линии бета-стабильности, т.е. перегружены нейтронами. При этом, конечно, невозможен переход ядер из одного семейства в другое.

Для того, чтобы ядро урана-238 полностью распалось до ядра свинца-206, должно пройти 8б- и 6в-распадов. При этом период полураспада одного только урана-238 составляет примерно 4,4-4,5 миллиардов лет. Чтобы произошло превращение ядра тория-232 в свинец-208, должно пройти 6б- и 4в-распада. И, наконец, чтобы ядро урана-235 превратилось в ядро свинца-207, должно произойти 7б- и 4в-распада.

Продукты распада ²³⁵U - изотопы нерадиоактивных элементов - не нашли практического применения. В продуктах распада ²³⁸U и ²³²Th интерес представляют изотопы свинца RaD (²¹⁰Pb) и ThB (²¹²Pb), изотопы висмута RaE(²¹⁰Bi) и ThC (²¹²Bi). Все указанные изотопы являются наиболее долгоживущими продуктами распада радона и торона. В данном ключе следует обратить внимание на наличие разветвлений в радиоактивных рядах. Все всех трех семействах имеются изотопы элемента с атомным номером 86, называемых радоном (иногда эманацией). В рядах находятся три инертных радиоактивных газа - радон, торон (эманация тория) и актинон (эманация актиния). Вследствие газообразного и инертного характера эманаций их радиоактивные потомки могут быть легко отделены от долгоживущих предшественников. Радиоактивные потомки эманаций именуются активным налетом. Активный налет может собираться на любой поверхности, особенно эффективно они оседают на отрицательно заряженных электродах.

Изотопы радона делят ряды на специфические части. Начальные отрезки содержат наиболее долгоживущие члены рядов - изотопы элементов, расположенных в периодической системе после радона (Fr, Ra, Ac, Th, Pa, U). Конечные отрезки всех трех семейств сходны даже по внешней конфигурации. В них находятся наиболее короткоживущие продукты - изотопы свинца, висмута, полония, таллия и астата.

Многие изотопы второй части рядов способны распадаться двумя путями: определенная часть атомов изотопа распадается с испусканием б-частиц, другая - с испусканием в-частиц, образуя так называемую «вилку». Распад вновь образовавшихся изотопов имеет противоположных характер: если изотоп возник в результате б-распада, то он оказывается в-активным; изотоп, образовавшийся в результате в-распада, б-активен. Благодаря такой закономерности эти продукты превращаются в один и тот же изотоп одного и того же элемента, что можно увидеть при детальном рассмотрении схем семейств.

Во всех природных семействах встречается такая последовательность типов распада, при которой за одним б-распадом следуют два в-распада или наоборот. Альфа-распад уменьшает заряд ядра на две единицы, два последующих бета-распада увеличивают заряд на две единицы. Появляется новый изотоп первоначального элемента.

Семейство нептуния

Радиоактивные элементы нептуниевого семейства в природе встречаются в очень малых количествах: содержание нептуния в урановой смоляной руде составляет максимум 1,8х10^-10% от содержания в ней урана. Встречающийся сейчас в природе нептуний вовсе не является остатком древнего ряда. Ныне он непрерывно образуется в реакциях при действии на уран-238 нейтронов деления или нейтронов, испускаемых легкими ядрами урановых руд под действием б-частиц.

На самом деле нептуниевый ряд начинается не с нептуния, а с кюрия. Рад назван нептуниевым из-за того, что в нем - наиболее долгоживущий элемент, а предшествующие ему материнские нуклиды сравнительно быстро распадаются (период полураспада кюрия - всего 32,8 дня).



Рисунок 4. «Семейство нептуния и его радиоактивные превращения»

В состав семейства нептуния входят изотопы урана, тория, протактиния, таллия, свинца, полония, а также изотопы почти неизвестных в природе элементов - нептуния, плутония, америция, франция и астата.

Семейство нептуния, или (4n+1) семейство, обнаружено и исследовано при синтезе трансурановых элементов. В ряду нептуния все изотопы имеют периоды полураспада меньше 10⁷ лет. Конечный стабильный продукт ряда - ²⁰⁹Bi. Значительная часть природного висмута обязана своим происхождением исчезнувшему ряду нептуния. Радона в этом ряду нет.



Получение искусственных радионуклидов

В наше время получают как техногенные изотопы, используемые в атомной энергетике, так и изотопы для медицинского использования (для лучевой терапии, позитронной томографии, однофотонной компьютерной томографии и т.д.).

В качестве радионуклидов медицинского назначения используют долгоживущие изотопы, используемые как закрытые источники, предназначенные для внешнего облучения пациента, а также короткоживущие и ультракороткоживущие изотопы, используемые также для лучевой терапии, томографии, сцинтиграфии.

Нейтронные методы производства изотопов

Синтез техногенных изотопов часто осуществляется путем облучения мишени потоком нейтронов (как быстрых, так и тепловых). Потоки нейтронов могут быть получены на специальных нейтронных источниках.

Нейтронные источники - устройства, в которых идут ядерные реакции с образованием нейтронов.

Источники нейтронов по реакции (б, n). Эти источники представляют собой однородную спрессованную смесь б-активного вещества обычно с порошком металлического бериллия или бора. Альфа-излучателями служат полоний-210, радий-226, америций-241, плутоний-238, плутоний-239, кюрий-248 и калифорний-252.

В источнике происходит ядерная реакция:

⁹Be + б > ¹²C + n



Фотонейтронные источники. В этих источниках нейтроны получают по реакции (г, n), которая может идти при энергиях г-квантов, превышающих энергию связи нейтрона в ядре мишени.

Мишени делятся на две группы:

Бериллиевые и дейтериевые мишени со сравнительно низкими порогами: 1,67 и 2,23 МэВ соответственно;

Мишени из элементов, для которых энергия связи нейтрона в ядре свыше 6 МэВ.

Радиоактивные изотопы, как источники г-излучения, не испускают обычно г-квантов с энергией, большей 3 МэВ, поэтому в радиоактивных фотонейтронных источниках используются в виде мишеней только бериллий и дейтерий. В виде источников г-квантов используются радиоактивные изотопы ²⁴Na, ⁵⁶Mn, ⁷²Ga, ⁸⁸Y, ¹¹⁶La, ¹⁴⁰La, ²²⁸Th в равновесии с одинаковыми дочерними продуктами распада. Выход нейтронов по реакции (г, n) обычно меньше, чем источников по реакции (б, n).

Для получения нейтронов в источниках с мишенями второй группы используют г-кванты, возникающие при различных ядерных реакциях или на электронных ускорителях.

Генераторы нейтронов. Существуют источники, использующие ускорение заряженных частиц по реакциям (p, n) и (d, n). Широкое распространение получили реакции ускоренных до 1 МэВ дейтронов с мишенью из тяжелой воды для получения нейтронов с энергией 4 МэВ или ускоренных до 15 КэВ дейтронов с мишенью из трития для получения нейтронов с энергией 14,9 МэВ.

Ядерный реактор как источник нейтронов деления. Ядерные реакторы, основанные на использовании энергии деления тяжелых ядер, являются мощными источниками г-излучения и нейтронов.



Наработка изотопов в ядерных реакторах

Как известно, оружейные изотопы, и, в первую очередь ²³⁹Pu, нарабатываются в промышленных ядерных реакторах, специально сконструированных для этих целей.

В последнее время началась активная реконструкция «военных» реакторов с целью расширения производства на них «мирных» изотопов (как стабильных, так и радиоактивных), в первую очередь - медицинского назначения.

Среди так называемой реакторной группы изотопов важное место имеет радиоактивный, гамма-излучающий изотоп кобальт-60. ПО «Маяк» начал конверсионную программу по производству ⁶⁰Co, а также трития, изотопов молибдена и стабильного изотопа гелия-3. Для расширения производства изотопов проведен ремонт реактора «Людмила». Этот реактор имеет мощность 1000 МВт и наряду с производством гражданской продукции изготовляет «оружейные» изотопы: тритий и плутоний-238. Другим реактором двойного назначения является «Руслан», который был реконструирован в 80-х годах из реактора на тяжелой воде в легководный реактор мощностью 1000 МВт. Он используется для производства «оружейных» изотопов, сейчас его переводят на выпуск «гражданских» изотопов.

Не только военные реакторы можно приспособить для производства коммерческих изотопов. Изотопы можно производить и на некоторых типах реакторов, работающих на атомных электростанциях. В частности, для этой цели подходят канальные реакторы типа РБМК. Именно такие реакторы установлены на Ленинградской АЭС, РБМК-1000 был установлен на 4-ом энергоблоке ЧАЭС. Ключевым преимуществом реализации радиационных технологий в канальном реакторе РБМК-1000 является его конструктивная особенность, позволяющая осуществлять загрузку и выгрузку облучаемых образцов и изделий на работающем реакторе в любой момент времени в многочисленных каналах, обеспечивая поддержание на высоком уровне всех условий ядерной и радиационной безопасности. Такое облучение обеспечивает производство медицинских изотопов, изотопов масштабного общепромышленного назначения, управление свойствами различных материалов, сплавов, химических соединений, полупроводников, природных кристаллических структур, готовых изделий интеллектуальной электроники и многих других изделий.

Среди изотопной продукции ЛАЭС первое место занимает кобальт-60. Возможности канальных реакторов РБМК-1000 этой АЭС позволяют накапливать кобальт-60 с удельной активностью 50-100 Ки/год, в объемах до 10 миллионов Ки в год, как в виде сырья, так и в виде источников. Накопление кобальта-60 в реакторах ЛАЭС осуществляется в облучательных устройствах, совмещающих в себе функции безопасности (поглощение нейтронов) и накопления изотопа. Облученный кобальтовый материал (в форме кобальтовых таблеток) с никелевым покрытием герметизируют в первичные активированные капсулы из нержавеющей стали.

На ЛАЭС организован выпуск кремния, легированного нейтронно-трансмутационным методом. В год выпускается 300 т радиационно-легированного кремния. Легирующие примеси не вводятся в исходный материал извне, а образуются в процессе облучения непосредственно из атомов легируемого кремния. И именно характеристики РБМК-1000 обеспечивают высокое качество легирования. На ЛАЭС для легирования кремния используются облучательные каналы реактора с водяным охлаждением.

В этих же каналах может быть обеспечена радиационная модификация свойств других кристаллических материалов, в том числе полудрагоценных и драгоценных камней в объеме до нескольких тонн.

ЛАЭС производит и другие радионуклиды медицинского и общетехнического назначения: углерод-14, сера-35, кальций-45, скандий-46, хром-51, железо-59, кобальт-60, цинк-65, селен-75, рубидий-86, молибден-99 и так далее.

Облученные в нейтронном потоке реактора мишени направляются на специализированные предприятия для радиохимической переработки. Целевые радионуклиды выделяются в элементарном состоянии или в виде растворов неорганических соединений, которые в дальнейшем используются для приготовления радиофармпрепаратов, меченых органических соединений или источников ионизирующих излучений.

Радионуклиды применяются в адресной диагностике и лечении различных заболеваний человека, излучении технологических, физико-химических, биологических процессов и позволяют изучать перемещение вещества в пространстве и во времени на любой стадии исследуемого процесса.

Дочерний изотоп технеций-99m, образующийся при распаде молибдена-99, извлекается на радиохимической установке по экстракционной технологии (в централизованном генераторе) и в виде препарата «Раствор натрия пертехнетата» и доставляется в клиники для проведения радиодиагностических исследований, готовят радиофармпрепараты.

Производство ¹²⁵I на ЛАЭС находится на уровне 200 Ки в год. На основе изотопа ¹²⁵I синтезируются стероидные гормоны, меченные радионуклидом, а также изготавливаются йодные источники, предназначенные для проведения радиодиагностических анализов и научно-исследовательских работ в области биоорганической химии, генной инженерии и медицины. Использование стероидных гормонов, меченных радионуклидом ¹²⁵I в медицине, позволяет осуществлять раннюю диагностику онкологических заболеваний, выявлять нарушения функции половых желез и надпочечников, системы гипоталамус-гипофиз-кора надпочечников.

Также для наработки радионуклидов используются жидкосолевые ядерные реакторы. На них, в частности, производятся «медицинские» радиоактивный изотоп ⁹⁹Mo.

Получение изотопов на ускорителях

Далеко не все изотопы можно получать в атомных реакторах по ядерным реакциям с участием нейтронов. Многие радионуклиды синтезируют на ускорителях протонов и тяжелых ионов. Источниками практически всех видов ионизирующих излучений являются ускорители элементарных частиц и ионов.

Используют:

Линейный ускоритель - траектории частиц близки к прямым линиям, максимальная энергия электронов - 20 ГэВ, протонов до 800 МэВ.

Циклотрон - электроны и ионы движутся по плоской развертывающейся спирали, максимальная энергия ускоренных протонов 20 МэВ, в специальном циклотроне - до 1 ГэВ.

Бетатрон - электроны удерживаются на равновесной круговой орбите, энергия может достигать 20-50 МэВ.

Синхротрон - частицы вращаются по окружности, как в бетатроне, но за счет самостоятельности переменного ускоряющего электрического поля достигаются большие, чем в бетатроне, энергии частиц.

Фазотрон - частицы двигаются по спирали, получают большой разгон за счет повышения частоты разгоняющего электрического поля по мере увеличения скорости частиц.

Синхрофазотрон - ускоряет протоны с орбитой постоянного радиуса, растущим во времени магнитным полем, определяющим этот радиус, переменной частотой ускоряющего электрического поля; максимальная энергия протонов 800 ГэВ.

На циклотронах реализован комплекс по производству радиоактивных изотопов йода-123, фтора-18, углерода-11, азота-13, кислорода-15, рубидия-81, галлия-67, индия-111, таллия-201 и радиофармпрепаратов на их основе.

В настоящее время циклотроны внедряются в медицину не только как производители радионуклидов и радиофармпрепаратов, но и как источники протонов и высокоэнергетических нейтронов. Протонные пучки, например, применяются для облучения внутриглазных мишеней.

Сверхбыстрые нейтроны (до 70 МэВ) нашли применение в лучевой терапии онкологических больных.

Производство радиоизотопов для целей ядерной медицины

Короткоживущие радионуклиды медицинского назначения эффективно используются в препаратах с высокой удельной активностью, оказывающих малую дозовую нагрузку на органы пациента. Их производят либо на специальных генераторах, представляющих собой долгоживущий радионуклид, из которого образуется короткоживущий радионуклид - действующее начало фармпрепарата, либо на ускорителях ионов.

Некоторые короткоживущие изотопы удобно производить на изотопных генераторах. Радионуклидные генераторы предназначены для получения короткоживущих радионуклидов. Их работа основана на принципе образования дочернего короткоживущего радионуклида в результате распада долгоживущего родительского радионуклида.

Важность радионуклидных генераторов состоит в том, что получение короткоживущих радионуклидов является задачей несложной и безопасной для персонала, генераторы легко транспортабельны, что дает возможность наработки изотопа непосредственно в медицинских клиниках вдали от ядерного реактора и циклотронных установок.

Типичный радионуклидный генератор - генератор индия-113m.

Генератор индия-113m предназначен для получения растворов хлоридных комплексов индия-113m, которые применяются в ядерной медицине в диагностических целях при сканировании печени, легких, кровеносных сосудов, а также при идентификации опухолевых образований.

Получение исходного радионуклида для генератора индия-113m - олова-113, проводят в ядерном реакторе путем радиационного захвата нейтронов ядрами олова-112.

Олово-113 претерпевает превращения (позитронный распад и К-захват), в результате которых получается дочерний метастабильный индий-113m.

В настоящее время короткоживущие радионуклиды для фармпрепаратов получают на циклотроне, расположенном непосредственно в медицинском учреждении. Медицинские циклотроны обычно ускоряют до высоких энергий протоны.

Произведенные на циклотроне радиоизотопы переносятся в биосинтезатор, где они присоединяются к используемым в клинике биологическим маркерам.

Иттрий-90 был одним из первых радионуклидов, используемых для терапии открытыми источниками. Радиоизотоп галлий-67 применяется для получения изображений опухолей и локализации воспалительных процессов. Изотопы эрбия-165 и сурьмы-119 могут применяться в оже-терапии. Изотоп йод-125 выпускается в виде соединения K¹²⁵I и используется для мечения белков и пептидов. Изотоп меди-64 используют как для получения томографических изображений, так и для проведения радиотерапии. Йод-121 - изотоп для ПЭТ (позитронная эмиссионная томография) и сцинтиграфии. Йод-124 используется как диагностический и терапевтический нуклид, образует связи с моноклональными антителами.



Реакции деления и синтеза

Ядерная реакция - это процесс взаимодействия атомного ядра с другим ядром или элементарной частицей, который может сопровождаться изменением состава и строения ядра. Последствием взаимодействия может стать деление ядра, испускание элементарных частиц или фотонов. Кинетическая энергия вновь образованных частиц может быть гораздо выше первоначальной, при этом говорят о выделении энергии ядерной реакцией.

Различают два основных типа ядерных взаимодействий - реакции деления и реакции синтеза.

Реакции деления

Деление ядра - процесс расщепления атомного ядра на два (реже три) ядра с близкими массами, называемых осколками деления. В результате деления могут возникать и другие продукты реакции: лёгкие ядра (в основном б-частицы), нейтроны и г-кванты.

Деление бывает спонтанным (самопроизвольным) и вынужденным (в результате взаимодействия с другими частицами, прежде всего, с нейтронами). Деление тяжёлых ядер - экзотермический процесс, в результате которого высвобождается большое количество энергии в виде кинетической энергии продуктов реакции, а также излучения.

Распад ядер атомов подчиняется закону радиоактивного распада, который был открыт Фредериком Содди и Эрнестом Резерфордом.

Радиоактивный распад - явление статистическое. Все предположения, которые могут быть сделаны на основе законов радиоактивного распада, носят принципиально вероятностный характер. Нельзя сказать, какие атомы в радиоактивном образце распадутся за рассматриваемое время. Но можно практически с полной достоверностью предсказать, сколько атомов распадется за это время.

Закон радиоактивного распада имеет следующую математическую формулировку:

Где N - число радиоактивных атомов, dN - число атомов, распадающихся за время dt, л - постоянная распада (вероятность распада).

Основные положения закона:

Количество любого радиоактивного вещества со временем уменьшается вследствие распада ядер;

Скорость распада определяется строением ядра;

Средняя скорость распада ядер каждого радиоактивного элемента постоянна, неизменна и характерна для данного радионуклида;

Распад ядер атомов происходит по особому закону, согласно которому за одно и то же время распадается половина ядер.

Существует несколько видов распадов.

б-распад. Причина альфа-распада - избыток в ядре нуклонов (протонов и нейтронов).

Проходит по схеме: > +

в⁺-распад. Причина позитронного распада - избыток в ядре протонов. Происходит с испусканием позитрона.

Распад, который происходит с искусственными радионуклидами.

Проходит по схеме: > в⁺ + н +

в^--распад. Причина бета-минус распада - избыток в ядре нейтронов. Происходит с испускание электрона.

Распад естественных радионуклидов.

Проходит по схеме: > в^- + нe +

Изомерный г-переход.. Причина изомерного гамма-перехода - избыток в ядре энергии. Происходит испускание г-кванта (электромагнитное излучение).

> в^- + ^* > + г

K, L-захват. Причина - ядро захватывает электроны с ближайших K и L орбит.

+ e > г + н +

Внутренняя конверсия. Ядро радиоактивного атома передает энергию возбуждения электрону ближайшего внутреннего слоя электронной оболочки. При этом электрон, получив дополнительную энергию, вырывается за пределы атома. На вакантное место осуществляется квантовый переход электрона с испусканием характеристического рентгеновского излучения. Происходит перестройка атома.

Реакции синтеза

Реакция синтеза (нуклеосинтез) - процесс образования ядер химических элементов тяжелее водорода в ходе реакции ядерного синтеза (слияния). Кроме нового ядра, в ходе реакции синтеза, как правило, образуются также различные элементарные частицы и (или) кванты электромагнитного излучения.

Такие условия могут сложиться в двух случаях:

Если атомные ядра (ионы, протоны или б-частицы), обладающие большой кинетической энергией, встречают на своем пути другие атомные ядра. В природе это возможно, например, при столкновении частиц ионизированного газа, например, в ионосфере Земли, с частицами космических лучей. Искусственно такие реакции реализуются в вакуумных камерах с использованием естественных источников высокоэнергетических б-частиц, а также ускорителях заряженных частиц и установках наподобие фузора или реактора «Поливелл», в которых кинетическая энергия заряженным частицам придается электрическим полем. Таким путём были получены первые искусственные ядерные реакции синтеза и многие искусственно синтезированные химические элементы.

Если вещество нагревается до чрезвычайно высоких температур в звезде или термоядерном реакторе. Согласно кинетической теории, кинетическую энергию движущихся микрочастиц вещества (атомов, молекул или ионов) можно представить в виде температуры, а, следовательно, нагревая вещество, можно достичь ядерной реакции синтеза. В таком случае говорят о термоядерном синтезе или термоядерной реакции.

Термоядерные реакции - это реакции слияния легких ядер при очень высокой температуре.

Без подвода внешней энергии слияние ядер невозможно, так как положительно заряженные ядра испытывают силы электростатического отталкивания - это так называемый кулоновский барьер. Для синтеза ядер необходимо сблизить их на расстояние порядка 10?15 м, на котором действие сильного взаимодействия будет превышать силы электростатического отталкивания. Это возможно в случае, если кинетическая энергия сближающихся ядер превышает кулоновский барьер. Энергия ядер, необходимая для реакции синтеза, может быть достигнута при температурах порядка сотен миллионов градусов, поэтому эти реакции называются термоядерными.

Выделяющаяся при слиянии энергия оказывается наибольшей при синтезе легких элементов, обладающих минимальной энергией связи. При соединении двух легких ядер, например, дейтерия и трития, образуется более тяжелое ядро гелия с большей энергией связи:

+ > +

При таком процессе ядерного синтеза выделяется значительная энергия (17,6 МэВ), равная разности энергий связи тяжелого ядра и двух легких ядер. Образующийся при реакциях нейтрон приобретает 70% этой энергии. Сравнение энергии, приходящейся на один нуклон в реакциях ядерного деления (0,9 МэВ) и синтеза (17,6 МэВ), показывает, что реакция синтеза легких ядер энергетически более выгодна, чем реакция деления тяжелых.

Термоядерный синтез -- источник энергии всех звезд, в том числе, и Солнца. Основным процессом, при котором происходит освобождение термоядерной энергии в звездах, является превращение водорода в гелий. За счет дефекта массы в этой реакции масса Солнца уменьшается каждую секунду на 4 млн. тонн. Большую кинетическую энергию, необходимую для термоядерного синтеза, ядра водорода получают в результате сильного гравитационного притяжения к центру звезды. Затем при слиянии ядер гелия образуются и более тяжелые элементы.

Термоядерные реакции играют решающую роль в эволюции химического состава вещества во Вселенной. Все эти реакции сопровождаются выделением энергии, излучаемой звездами в виде света на протяжении миллиардов лет.

Осуществление управляемого термоядерного синтеза предоставило бы человечеству новый, практически неисчерпаемый источник энергии. Дейтерий и тритий, необходимые для осуществления синтеза, доступны человеку. Первый содержится в воде морей и океанов (в количестве, достаточном для использования в течение миллиона лет), второй может быть получен в ядерном реакторе при облучении жидкого лития (запасы которого огромны) нейтронами:

+ > +

Одним из важнейших преимуществ управляемого термоядерного синтеза является отсутствие радиоактивных отходов при его осуществлении (в отличие от реакций деления тяжелых ядер урана).

Главным препятствием на пути осуществления управляемого термоядерного синтеза является невозможность удержания высокотемпературной плазмы с помощью сильных магнитных полей в течение 0,1-1с. Пока же удалось осуществить лишь неуправляемую реакцию синтеза взрывного типа в водородной бомбе.

Управляемые ядерные реакции

Управляемая реакция деления ядер поддерживается в ядерном реакторе. Осуществляется она по принципу цепной реакции.

Возможность осуществления цепной реакции деления и ее параметры определяются ядерно-физическими свойствами среды и геометрией системы. В чистом природном уране, где неупругое рассеяние быстро снижает энергию нейтронов ниже порога деления урана-238, радиационный захват настолько превалирует, что коэффициент размножения нейтронов оказывается существенно меньше единицы, и цепная реакция невозможна.

Механизм цепной реакции при ядерных превращениях могут обеспечить нейтроны, не имеющие кулоновского барьера и возбуждающие ядра при поглощении. Появление в среде необходимой частицы вызывает цепь следующих, одна за другой реакций, которая продолжается до обрыва цепи вследствие потери частицы-носителя реакции. Основных причин потерь две: поглощение частицы без испускания вторичной и уход частицы за пределы объёма вещества, поддерживающего цепной процесс. Если в каждом акте реакции появляется только одна частица-носитель, то цепная реакция называется неразветвленной. Неразветвленная цепная реакция не может привести к энерговыделению в больших масштабах.

Если в каждом акте реакции или в некоторых звеньях цепи появляется более одной частицы, то возникает разветвленная цепная реакция, ибо одна из вторичных частиц продолжает начатую цепь, а другие дают новые цепи, которые снова ветвятся. Правда, с процессом ветвления конкурируют процессы, приводящие к обрывам цепей, и складывающаяся ситуация порождает специфические для разветвленных цепных реакций предельные или критические явления. Если число обрывов цепей больше, чем число появляющихся новых цепей, то самоподдерживающаяся цепная реакция оказывается невозможной. Даже если её возбудить искусственно, введя в среду какое-то количество необходимых частиц, то, поскольку число цепей в этом случае может только убывать, начавшийся процесс быстро затухает. Если же число образующихся новых цепей превосходит число обрывов, цепная реакция быстро распространяется по всему объёму вещества при появлении хотя бы одной начальной частицы.

Область состояний вещества с развитием цепной самоподдерживающейся реакции отделена от области, где цепная реакция вообще невозможна, критическим состоянием. Критическое состояние характеризуется равенством между числом новых цепей и числом обрывов.

Достижение критического состояния определяется рядом факторов. Деление тяжелого ядра возбуждается одним нейтроном, а в результате акта деления появляется более одного нейтрона (например, для урана-235 число нейтронов, родившихся в одном акте деления, в среднем равно от 2 до 3). Следовательно, процесс деления может породить разветвленную цепную реакцию, носителями которой будут служить нейтроны. Если скорость потерь нейтронов (захватов без деления, вылетов из реакционного объёма и т. д.) компенсирует скорость размножения нейтронов таким образом, что эффективный коэффициент размножения нейтронов в точности равен единице, то цепная реакция идёт в стационарном режиме. Введение отрицательных обратных связей между эффективным коэффициентом размножения и скоростью энерговыделения позволяет осуществить управляемую цепную реакцию, которая используется в ядерной энергетике. Если коэффициент размножения больше единицы, цепная реакция развивается экспоненциально; неуправляемая цепная реакция деления используется в ядерном оружии.



Список литературы

Рахматуллин Э.К., Деркова М.А. Терминологический словарь по радиобиологии. Учебное пособие, Ульяновская ГСХА, 2004.

Несмеянов Ан. Н. Радиохимия. - 2-е изд., перераб. - М.: Химия, 1978.

И.Н. Бекман. Радиохимия. Курс лекций, Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова, Химический факультет, кафедра радиохимии. Москва, 2006.

Бекман И.Н. Радиационная и ядерная медицина: физические и химические аспекты. Радиохимия. Том 7. Учебное пособие. МО, Щелково: Издатель Мархотин П.Ю. 2012.

А.Н. Климов. Ядерная физика и ядерные реакторы. - Москва: Энергоатомиздат, 1985.

К. Н. Мухин. Экспериментальная ядерная физика. Том 1. Физика атомного ядра. Ядерные взаимодействия - 5-е изд. - М.: Энергоатомиздат, 1993.

Д.В. Сивухин. Общий курс физики. Том V, часть 2. Ядерная физика. М.: Издательство Физматлит. 1989.

Лекция «The Path to Fusion Power». Chris Llewellyn Smith. Chair ITER Council. Chair Consultive Committee for Euratom on Fusion. Theoretical Physics, Oxford.

И.Н. Бекман. Ядерная физика. Курс лекций, Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова, Химический факультет, кафедра радиохимии. Москва, 2010

Размещено на Allbest.ru

...