Искусственная радиоактивность. 
Физика

Искусственную радиоактивность открыли супруги Ирен и Фредерик Жолио-Кюри в 1934 г. Они выяснили, что после бомбардировки альфа-частицами некоторые легкие ядра (магний, бор, алюминий) испускают позитроны. С тех пор исследователями было инициировано и стимулировано множество ядерных реакций. 11екоторые из этих реакций играют ключевую роль в развитии цивилизации и военной сфере. Выше было показано, что энергетически выгодными являются ядерные реакции распада тяжелых ядер на средние и ядерные реакции слияния легких ядер (синтеза).

Начнем с классической ядерной реакции распада (деления) ядра урана ²^U при бомбардировке нейтронами. Эти нейтроны не обязательно должны подаваться в систему снаружи. В радиоактивном материале они обычно возникают самопроизвольно. Для средних ядер энергетически выгодное число нейтронов примерно равно числу протонов: (А — Z)/Z ~ 1,3-М, 4, а для тяжелых ядер число нейтронов заметно превышает число протонов: (А — Z)/Z ~ 1,6. Поэтому при распаде тяжелого ядра урана образовавшиеся средние ядра стремятся избавиться от лишних нейтронов, испуская их.

Поскольку в средних элементах удельная энергия связи меняется слабо, то при бомбардировке нейтронами ядер урана ²gjU со сравнимой вероятностью идет целый ряд процессов с образованием двух радиоактивных осколков неравной (но и не слишком далекой) массы, разлетающихся с большими скоростями в разные стороны, и двух-трех нейтронов, называемых нейтронами деления. Приведем две характерные реакции:

Часть образовавшихся нейтронов может провзаимодействовать с ядрами урана и стимулировать продолжение ядерной реакции, а часть может покинуть делящийся образец урана или вступить в конкурирующую реакцию. Возникает цепная ядерная реакция — самоподдерживающаяся реакция деления тяжелых ядер, в которой воспроизводятся нейтроны, делящие новые ядра. Скорость ценной реакции определяется коэффициентом размножения нейтронов k — отношением числа нейтронов данного поколения, вступающих в ядерную реакцию, к породившему их числу нейтронов предыдущего поколения.

Пусть Т — среднее время жизни нейтрона до вступления в ядерную реакцию, N — число нейтронов данного поколения. Тогда число нейтронов следующего поколения равно kN. Таким образом, увеличение числа нейтронов за поколение равно.

В свою очередь, увеличение числа нейтронов в единицу времени равно.

Разделяя переменные и интегрируя, получим.

где N₀ — число нейтронов в начальный момент времени.

Из формулы ясно, что при k > 1 имеет место лавинообразное экспоненциальное увеличение числа нейтронов и скорости реакции. При этом поскольку в ядерной реакции выделяется колоссальное количество энергии, то происходит ядерный взрыв. При k < 1 число нейтронов падает и идет затухающая реакция. При k = 1 идет самоподдерживающаяся реакция, в ходе которой число нейтронов не меняется. Такой режим является неустойчивым и без специальной системы поддержания устойчивости благодаря случайным обстоятельствам переходит во взрывной или затухающий режим.

Чем больше образец урана, тем больше вероятность того, что нейтрон успеет вступить в ядерную реакцию до того, как покинет образец. Поэтому говорят о критической массе урана, которая должна быть превышена для возникновения самоподцерживающейся реакции или взрыва. Эта масса зависит от степени загрязнения вещества и формы образца. Так, для взрыва два или несколько кусков радиоактивного вещества с массами, меньшими критической, объединяют в единое целое с массой, превышающей критическую.

Деление ядер сопровождается выделением энергии примерно 1 МэВ на нуклон. В результате 1 г урана может дать столько энергии, сколько сжигание 3 т угля. Это используется в управляемых ядерных реакциях в атомной энергетике и в неуправляемых ядерных реакциях в ядерном оружии.

Возможно, еще более важную роль играют термоядерные реакции. Термоядерная реакция (ядерная реакция синтеза) — это реакция объединения легких ядер в более тяжелые ядра. Чтобы произошла реакция синтеза, сближающиеся ядра должны иметь большую кинетическую энергию, позволяющую им преодолеть силу электростатического отталкивания протонов. Большую кинетическую энергию — даже в случае отсутствия термодинамического равновесия — обычно связывают с высокой эффективной температурой ядер. Поэтому и реакция названа термоядерной — от греческого слова theme — тепло.

Термоядерные реакции являются источником энергии звезд. Человечество использует их в термоядерном оружии — первая термоядерная (водородная) бомба эквивалентной мощностью 50 Мт (мегатонн) тротила была испытана Россией на Новой Земле в августе 1953 г. При этом для разогрева легких ядер использовалась обычная ядерная бомба. Существенно, что термоядерная бомба может быть сколь угодно мощной, поскольку нет ограничений, связанных с критической массой. Но особо важно, что термоядерные реакции предполагается использовать в качестве неисчерпаемого источника мирной энергии термоядерных реакторов.

Рассмотрим подробнее одну из наиболее просто осуществляемых искусственным путем в земных условиях термоядерных реакций — реакцию слияния ядер изотопов водорода дейтерия, 11 и трития jll:

В этой реакции выделяется 17,6 МэВ энергии, из них 3,5 МэВ уносится а-частицей, а 14,1 МэВ уносится нейтроном. В пересчете на нуклон это 3,5 МэВ, что в 3,5 раза больше, чем в реакции урана.

Расстояние, на которое должны сблизиться ядра при синтезе, должно быть порядка размера самих ядер, поскольку только на таких расстояниях начинает действовать сильное взаимодействие, сила притяжения которого превосходит силу электростатического отталкивания протонов. Преодоление такого барьера высотой порядка 100 кэВ требует средней энергии ядер 10 кэВ, что соответствует температуре 10^к К. Недостающий порядок энергии набирается за счет использования энергичных частиц хвоста распределения, а также за счет использования туннельного эффекта.

Для того чтобы выделившаяся термоядерная энергия превысила энергию, потраченную на разогрев легких ядер, необходимо некоторое время t удержать достаточно высокую концентрацию п_я легких ядер. Отсюда возникает критерий Лоусона для времени удержания:

Выполнить этот критерий можно двумя способами. Первый из них основан на удержании плазмы легких ядер концентрацией порядка 10²⁰ м ³ в течение времени порядка 1 с в тороидальной камере магнитными катушками (токомак). В настоящее время осуществляется международный демонстрационный проект такого термоядерного реактора — ИТЭР. Второй способ основан на инерциальном удержании плазмы. При этом происходит импульсный нагрев мишени из легких ядер (например, пучком электронов или лучом лазера), и термоядерная реакция идет во время взрыва и разлета мишени. Время удержания в таком способе на несколько порядков меньше, чем в случае удержания магнитным полем, зато на те же несколько порядков удается поднять концентрацию плазмы.