Ядерное деление в реакторах

Определения

Ядерный синтез — это реакция, в которой два или более ядер объединяются, образуя новый элемент с более высоким атомным номером (больше протонов в ядре). Энергия, выделяемая при синтезе, связана с E = mc 2 (Знаменитое уравнение энергии-массы Эйнштейна). На Земле наиболее вероятной реакцией синтеза является дейтерий-тритиевая реакция. Дейтерий и тритий — изотопы водорода.

21Дейтерий + 31Тритий = 42Он + 1п + 17,6 МэВ

]

Деление ядра — это расщепление массивного ядра на фотоны в виде гамма-лучей, свободных нейтронов и других субатомных частиц. В типичной ядерной реакции с участием 235U и нейтрон:

23592U + п = 23692U

с последующим

23692U = 14456Ba + 8936Кр + 3п + 177 МэВ

Что такое мейоз

Второй способ деления эукариотической клетки — мейоз. Во время такого процесса деления клетки получаются дочерние клетки, которые называются гаметы. У мужчин это сперматозоид, а у женщин яйцеклетка. Гаметы получают только половину генетической информации родительской клетки. Число хромосом уменьшается в два раза. 

 Схема мейоза‍

Затем гаметы могут объединяться, образуя новую клетку, сочетающую генетическую информацию обеих клеток-родителей — зиготу. Процесс слияния половых клеток называется оплодотворением. Если зигота совершит цепь митозов, сформируется новый организм. 

По промокоду BIO92021 вы получите бесплатный доступ к курсу биологии 9 класса, по промокоду BIO10112021 бесплатный доступ к курсу биологии 10 класса. Выберите нужный раздел и изучайте биологию вместе с домашней онлайн-школой «Фоксфорда»!

Каждая гамета человека содержит 23 хромосомы — гаплоидный набор (n). Когда гаметы объединяются, получается зигота с 46 хромосомами — диплоидный набор (2n). 

Во время мейоза одна клетка с 46 хромосомами делится дважды. Первое деление называется мейоз I, второе деление называется мейоз II. Интерфаза между двумя этапами деления мейоза настолько кратковременна, что практически незаметна, и в ней не происходит удвоение ДНК. В результате образуются четыре дочерние клетки, каждая с 23 хромосомами. 

Мейоз I подразделяется на четыре фазы, аналогичные фазам митоза:

  • Профаза I (2n4c) — занимает 90% времени. Происходит скручивание молекул ДНК и образование хромосом. Каждая хромосома состоит из двух гомологичных хроматид — 2n4c. Происходит конъюгация хромосом: гомологичные (парные) хромосомы сближаются и скручиваются, образуя структуры из двух соединённых хромосом — такие структуры называют тетрады, или биваленты. Затем гомологичные хромосомы начинают расходиться. При этом происходит кроссинговер — обмен участками между гомологичными хромосомами. В результате этого процесса создаются новые комбинации генов в потомстве. Растворяется ядерная оболочка. Разрушаются ядрышки. Формируется веретено деления.
  • ‍Метафаза I (2n4c) — биваленты выстраиваются на экваторе веретена деления, при этом ориентация центромер к полюсам абсолютно случайная.
  • Анафаза I (хромосомный набор к концу анафазы: у полюсов — 1n2c, в клетке — 2n4c) — гомологичные хромосомы отходят к разным полюсам, при этом сестринские хроматиды всё ещё соединены центромерой. За счёт случайной ориентации центромер распределение хромосом к полюсам также случайно, так как нити веретена прикрепляются произвольно. 
  • Телофаза I (1n2c) — происходит деспирализация хромосом. Если интерфаза между делениями длительна, может образоваться новая ядерная оболочка.

Мейоз I

Мейоз II подразделяется на четыре такие же фазы: 

  • Профаза II (1n2c) — восстанавливается новое веретено деления, ядерная мембрана растворяется, если образовывалась в телофазе I.
  • Метафаза II (1n2c) — хромосомы выстраиваются в экваториальной части веретена, а нити веретена прикрепляются к центромерам.
  • Анафаза II (хромосомный набор у каждого полюса — 1n1c, в клетке — 2n2c) — центромеры расщепляются, двухроматидные хромосомы разделяются, и теперь к каждому полюсу движется однохроматидная хромосома. 
  • Телофаза II (1n1c) — происходит деспирализация хромосом, формирование ядерных оболочек и разделение цитоплазмы; в результате двух делений из диплоидной материнской клетки получается четыре гаплоидных дочерних клетки. 

Мейоз II

Биологическое значение мейоза — образование гаплоидных клеток, отличающихся генетически друг от друга: половых клеток (гамет) у животных  и спор у растений. 

Нейтронное деление

Нейтронное деление, ядерная реакция, имеет большое техническое значение . Свободный нейтрон подходит так близко к ядру атома, что может быть им поглощен. Ядро получает энергию связи и любую кинетическую энергию этого нейтрона, находится в возбужденном состоянии и расщепляется. Вместо деления возможны и другие процессы, например захват нейтрона . Возбужденное атомное ядро ​​возбуждается испусканием одного или нескольких гамма-квантов и переходит в свое основное состояние.

Нейтронное деление в принципе возможно — с меньшим или большим поперечным сечением — для всех элементов с атомными номерами Z от 90 ( торий ) и наблюдалось для многих их изотопов .

Из-за своей важности для производства энергии в гражданском секторе и для ядерного оружия нижеследующее в основном касается деления под действием нейтронов.

Стоимость

Деление является мощной формой производства энергии, но оно имеет встроенную неэффективность. Ядерное топливо, обычно Уран-235, дорого добывать и очищать. Реакция деления создает тепло, которое используется для кипячения воды и превращения пара в турбину, вырабатывающую электричество. Это преобразование из тепловой энергии в электрическую является громоздким и дорогостоящим. Третий источник неэффективности заключается в том, что очистка и хранение ядерных отходов очень дороги. Отходы радиоактивны, требуют надлежащей утилизации, и безопасность должна быть жесткой, чтобы обеспечить общественную безопасность.

Чтобы произошло слияние, атомы должны быть заключены в магнитное поле и нагреты до температуры 100 миллионов Кельвин или более. Требуется огромное количество энергии, чтобы инициировать синтез (атомные бомбы и лазеры, как полагают, обеспечивают эту «искру»), но есть также необходимость надлежащим образом содержать плазменное поле для долгосрочного производства энергии. Исследователи все еще пытаются преодолеть эти проблемы, потому что синтез более безопасная и более мощная система производства энергии, чем деление, что означает, что в конечном итоге это будет стоить меньше, чем деление.

Естественное происхождение

В природе слияние происходит в звездах, таких как Солнце. На Земле ядерный синтез был впервые осуществлен при создании водородной бомбы. Термоядерный синтез также использовался в различных экспериментальных устройствах, часто с надеждой на получение энергии контролируемым образом.

С другой стороны, деление — это ядерный процесс, который обычно не происходит в природе, так как требует большой массы и падающего нейтрона. Тем не менее, были примеры ядерного деления в естественных реакторах. Это было обнаружено в 1972 году, когда около 2 миллиардов лет назад было обнаружено, что месторождения урана на руднике Окло, Габон, однажды выдержали естественную реакцию деления.

Теория деления ядер

В рам­ках ка­пель­ной мо­де­ли яд­ра атом­ное яд­ро рас­смат­ри­ва­ет­ся как ка­п­ля рав­но­мер­но за­ря­жен­ной не­сжи­мае­мой жид­ко­сти. На ну­кло­ны дей­ст­ву­ют урав­но­ве­ши­ваю­щие друг дру­га ядер­ные си­лы при­тя­же­ния и элек­тро­ста­тич. си­лы от­тал­ки­ва­ния (ме­ж­ду про­то­на­ми), стре­мя­щие­ся ра­зо­рвать яд­ро. В про­цес­се де­ле­ния яд­ро из­ме­ня­ет фор­му: из сфе­ри­че­ско­го оно де­фор­ми­ру­ет­ся в вы­тя­ну­тый эл­лип­со­ид, за­тем на эк­ва­то­ре эл­лип­сои­да об­ра­зу­ет­ся пе­ре­тяж­ка. Воз­ни­ка­ет ган­те­ле­об­раз­ная фи­гу­ра, и ко­гда пе­ре­тяж­ка рвёт­ся, об­ра­зу­ют­ся ос­кол­ки де­ле­ния. Де­фор­ма­ция яд­ра при де­ле­нии со­про­во­ж­да­ет­ся уве­ли­че­ни­ем его по­верх­но­сти; при этом, как и в жид­кой ка­п­ле, си­лы по­верх­но­ст­но­го на­тя­же­ния воз­рас­та­ют, пре­пят­ст­вуя даль­ней­шей де­фор­ма­ции яд­ра. Кон­ку­рен­ция сил по­верх­но­ст­но­го на­тя­же­ния и ку­ло­нов­ских сил в ка­пель­ной мо­де­ли оп­ре­де­ля­ет­ся па­ра­мет­ром де­ли­мо­сти, ко­то­рый про­пор­цио­на­лен $Z^2/A$ ($Z$ – атом­ный но­мер эле­мен­та, $A$ – мас­со­вое чис­ло). С уве­ли­че­ни­ем па­ра­мет­ра де­ли­мо­сти рас­тёт не­ста­биль­ность атом­но­го яд­ра от­но­си­тель­но де­ле­ния. 

Барьер деления и последовательность форм, принимаемых делящимся ядром.

Для то­го что­бы яд­ро дос­тиг­ло фор­мы, пред­ше­ст­вую­щей его раз­ры­ву, не­об­хо­ди­ма за­тра­та оп­ре­де­лён­ной энер­гии для пре­одо­ле­ния по­тен­ци­аль­но­го барь­е­ра, на­зы­вае­мо­го барь­е­ром де­ле­ния (рис.). Ес­ли эту энер­гию яд­ро по­лу­ча­ет из­вне, то та­кое де­ле­ние на­зы­ва­ет­ся вы­ну­ж­ден­ным. Вы­ну­ж­ден­ное де­ле­ние яв­ля­ет­ся раз­но­вид­но­стью ядер­ных ре­ак­ций и мо­жет про­ис­хо­дить под дей­ст­ви­ем ней­тро­нов, $\alpha$-час­тиц, про­то­нов, $\gamma$-кван­тов и др. С рос­том атом­но­го но­ме­ра $Z$ умень­ша­ет­ся ста­биль­ность яд­ра от­но­си­тель­но про­цес­са де­ле­ния, что при­во­дит к за­мет­но­му са­мо­про­из­воль­но­му де­ле­нию яд­ра из ос­нов­но­го со­стоя­ния (т. н. спон­тан­но­му де­ле­нию яд­ра). Имен­но не­ус­той­чи­вость от­но­си­тель­но спон­тан­но­го де­ле­ния оп­ре­де­ля­ет не­воз­мож­ность су­ще­ст­во­ва­ния ядер с боль­ши­ми $Z$, т. е. гра­ни­цу пе­рио­дич. сис­те­мы эле­мен­тов. Спон­тан­ное де­ле­ние яд­ра яв­ля­ет­ся раз­но­вид­но­стью ра­дио­ак­тив­но­го рас­па­да (см. Ра­дио­ак­тив­ность) и ха­рак­те­ри­зу­ет­ся пе­рио­дом по­лу­рас­па­да, свя­зан­ным с ве­ро­ят­но­стью спон­тан­но­го де­ле­ния. В слу­чае спон­тан­но­го де­ле­ния про­ис­хо­дит кван­то­вое тун­нель­ное про­са­чи­ва­ние че­рез барь­ер (см. Тун­нель­ный эф­фект).

Ка­пель­ная мо­дель опи­сы­ва­ет лишь ус­ред­нён­ные (сгла­жен­ные) свой­ст­ва ядер. В дей­ст­ви­тель­но­сти же ха­рак­тер про­цес­са Д. a. я. мо­жет су­ще­ст­вен­но за­ви­сеть от внутр. струк­ту­ры яд­ра и со­стоя­ния отд. ну­кло­нов. Напр., барь­ер де­ле­ния ока­зы­ва­ет­ся боль­ше для ядер с не­чёт­ным чис­лом ну­кло­нов, чем для со­сед­них чёт­но-чёт­ных ядер (чёт­ные чис­ла про­то­нов $Z$ и ней­тро­нов $N$). Так, де­ле­ние ядер 238U под дей­ст­ви­ем ней­тро­нов ста­но­вит­ся дос­та­точ­но ве­ро­ят­ным лишь в том слу­чае, ко­гда ки­не­тич. энер­гия ней­тро­нов пре­вы­ша­ет не­ко­то­рый по­рог. В слу­чае же 235U да­же при за­хва­те те­п­ло­во­го ней­тро­на энер­гия воз­бу­ж­де­ния со­став­но­го яд­ра 236U пре­вы­ша­ет барь­ер де­ле­ния и яд­ро де­лит­ся с за­мет­ной ве­ро­ят­но­стью.

Зна­чит. влия­ние на про­цесс де­ле­ния ока­зы­ва­ет струк­ту­ра яд­ра, что при­во­дит к по­яв­ле­нию эф­фек­тов, вы­хо­дя­щих за рам­ки ка­пель­ной мо­де­ли. Су­ще­ст­во­ва­ние ядер­ных обо­ло­чек (см. Обо­ло­чеч­ная мо­дель яд­ра) в ря­де слу­ча­ев су­ще­ст­вен­но из­ме­ня­ет фор­му барь­е­ра де­ле­ния, ко­то­рый, в от­ли­чие от по­ка­зан­но­го на рис., мо­жет иметь не один, а два мак­си­му­ма. Та­кой «дву­гор­бый» барь­ер при­во­дит к воз­ник­но­ве­нию т. н. изо­ме­ров де­ле­ния (см. Изо­ме­рия атом­ных ядер). Обо­ло­чеч­ные эф­фек­ты силь­но влия­ют на ве­ро­ят­ность де­ле­ния и, в ча­ст­но­сти, от­вет­ст­вен­ны за по­яв­ле­ние ост­ро­ва ста­биль­но­сти сверх­тя­жё­лых эле­мен­тов.

Механизм цепной реакции

Чем тяжелее ядро, тем большую часть среди нуклонов занимают нейтроны. Поскольку они не имеют заряда и не испытывают кулоновского отталкивания, для тяжелых ядер они являются «стабилизирующим» фактором.

Однако, легким ядрам большое число нейтронов не требуется. В результате при распаде тяжелого ядра урана на несколько осколков, образуется некоторый избыток нейтронов, которые свободно покидают зону распада.

Эти образующиеся нейтроны играют ключевую роль в схеме образования цепной реакции. Поскольку нейтроны образуются внутри некоторой массы урана, они часто сталкиваются с другими ядрами. В результате таких столкновений другие ядра, в свою очередь также теряют стабильность, и испытывают распад, также освобождая новые нейтроны.

Так в веществе возникает самоподдерживающийся процесс деления – цепная ядерная реакция. Нейтроны, сталкивающиеся с ядрами, вызывают их деление, каждое ядро при распаде образует новые нейтроны, которые также, в свою очередь вызывают деление ядер, и так далее.

Рис. 2. Цепная реакция деления ядер урана.

Общие сведения о физике деления

Деление наблюдается только с достаточно тяжелыми нуклидами , от тория- 232 и выше. Только с ними легко и возможно распад на более легкие ядра с выделением энергии связи . Расщепление в соответствии с моделью капли можно четко понять по колебаниям и разрыву ядра: анимированный большой вид на приведенном выше рисунке показывает, как ядро ​​(красный ) попадает под нейтрон (синий), удлиняется и сужается в середине. Тогда большой диапазон взаимного электрического отталкивания протонов перевешивает притягивающую ядерную силу (см. Атомное ядро ) с его коротким радиусом действия и разводит два конца, так что ядро ​​распадается на два или три фрагмента — высоковозбужденные ядра среднего веса. При изменении энергии связи общая масса соответственно уменьшается ( дефект массы ). Помимо ядер-фрагментов ( фрагментов трещин ), обычно выделяется несколько отдельных нейтронов, обычно два или, как на картинке, три.

Энергетический спектр этих нейтронов имеет форму распределения Максвелла , так что она непрерывна и простирается вплоть до примерно 15  МэВ . Абсолютная температура, которая имеет решающее значение для статистики Больцмана, здесь практически не имеет физического значения, но рассматривается как свободный параметр для адаптации кривой к измеренной форме спектра. Средняя энергия нейтронов составляет около 2 МэВ. Это в некоторой степени зависит от расщепляющегося нуклида, а в случае расщепления, вызванного нейтронами (см. Ниже), также от энергии расщепляющегося нейтрона. Из-за асимметрии кривой распределения Максвелла средняя энергия отличается от наиболее вероятной энергии, максимума кривой; это около 0,7 МэВ.

Около 99% нейтронов испускаются в виде мгновенных нейтронов непосредственно во время деления в течение примерно 10-14 секунд. Остальные, запаздывающие нейтроны , высвобождаются из осколков деления от миллисекунд до минут спустя.

Другое индуцированное деление

Столкновение гамма-кванта высоких энергий (в диапазоне энергий МэВ ) может привести к расщеплению тяжелого ядра ( фоторасщеплению ). Это следует отличать от ядерного фотоэффекта , при котором только нейтрон, протон или альфа-частица высвобождаются из ядра, но ядро ​​не расщепляется.

Столкновение заряженной частицы также может привести к делению ядра, если оно передает ядру достаточную энергию. Например, наблюдались индуцированные деления протонов и мюонов .

Даже составное ядро с очень большим ядерным спином , которое может возникнуть в реакциях с тяжелыми ионами, может уменьшить свою энергию возбуждения путем расщепления.

Эти процессы разделения не имеют технического применения.

Тема недели: термоядерный реактор ITER

28 июля 2020 года в исследовательском центре Кадараш во Франции начали собирать экспериментальный термоядерный реактор типа токамак — сокращенно от «тороидальная камера с магнитными катушками». Строительство реактора планируют завершить в 2025 году. В проекте ITER участвуют ЕС, Индия, Китай, Южная Корея, Россия, США и Япония.

Термоядерный синтез — это реакция, в ходе которой легкие атомы объединяются в более тяжелые. В результате высвобождается энергия. Такой процесс постоянно происходит на Солнце и других звездах. Если ученые смогут построить работающий реактор, люди получат источник неограниченной и «зеленой» энергии.

Сам токамак по форме похож на полый бублик, из которого откачали воздух. В качестве топлива для реактора используют изотопы (подвиды) водорода дейтерий и тритий. Их помещают в токамак и с помощью электрического тока разогревают до температуры в несколько млн градусов. Тогда водород превращается в плазму — заряженный газ, в котором электроны оторваны от ядер атомов. Вся эта масса удерживается внутри реактора при помощи очень мощных магнитов. При температуре 150 млн °C (в десять раз жарче, чем на Солнце) начинается термоядерная реакция. Дейтерий и тритий сливаются и образуют атом гелия-4 и один нейтрон. Нейтроны вылетают за пределы магнитной ловушки и, сталкиваясь со стенками реактора, нагревают воду внутри них. В результате образуется пар, который вращает турбины.

Макет реактора ITER

(Фото: ITER)

Первую плазму на реакторе ITER планируют получить сразу после окончания строительства, в 2025 году. Однако эксперименты с термоядерной реакцией проведут только в 2035 году. Если они пройдут успешно, начнется выпуск термоядерных реакторов DEMO, которые можно будет использовать в коммерческих целях. ITER не единственный в мире проект, цель которого — получить термоядерную энергию. Токамаки есть в Китае, Великобритании и США.

Некоторые компании предлагают и другие типы реакторов. Основной конкурент токамака — стеллератор Wendelstein 7-X, который построили в Институте физики плазмы им. Макса Планка в немецком Грайфсвальде. Если токамак удерживает плазму в центре при помощи мощных магнитов, то стеллератор делает это благодаря своей сложной форме, напоминающей объемную ленту Мебиуса.

Макет стеллератора. Желтым показана плазма, синим — магнитное поле

(Фото: Max-Planck Institut für Plasmaphysik)

Американский стартап TAE Technologies (ранее Tri Alpha Energy) предложил реактор вытянутой формы. В качестве топлива компания использует водород и бор-11. При взаимодействии эти химические элементы не образуют нейтроны, а значит, не создают радиацию. Топливо на большой скорости подается в реактор с двух сторон. От столкновения оно нагревается и превращается в плазму. Минус такого устройства в том, что для его работы нужна очень высокая температура, примерно в 3 млрд °C.

Еще один вид реактора разрабатывает канадская компания General Fusion. Он представляет собой сферу, внутри которой находится расплавленный свинец. К устройству подключены паровые молотки, которые синхронно бьют по сплаву. В металле есть небольшой желобок, в который загружают горячую смесь дейтерия и трития. При каждом ударе молотков происходит микровзрыв, который провоцирует термоядерную реакцию.

Индустрия 4.0

Что такое индустрия 4.0 и что нужно о ней знать

Урожай

Выходы продуктов деления по массе для деления тепловыми нейтронами урана-235 , плутония-239 , комбинации двух типов, типичных для современных ядерных энергетических реакторов, и урана-233, используемого в ториевом цикле .

Каждое деление родительского атома дает различный набор атомов продуктов деления. Однако, хотя индивидуальное деление непредсказуемо, продукты деления статистически предсказуемы. Количество любого конкретного изотопа, образующегося при делении, называется его выходом, обычно выражается в процентах на исходное деление; следовательно, общая доходность составляет 200%, а не 100%. (Истинная сумма на самом деле немного больше 200% из-за редких случаев тройного деления .)

В то время как продукты деления включают в себя все элементы, от цинка до лантаноидов , большинство продуктов деления имеют два пика. Один пик имеет место примерно (выраженный атомным номером) от стронция до рутения, а другой пик — от теллура до неодима . Выход в некоторой степени зависит от родительского атома, а также от энергии инициирующего нейтрона.

В общем, чем выше энергия состояния, в котором происходит ядерное деление, тем больше вероятность того, что два продукта деления имеют одинаковую массу. Следовательно, когда энергия нейтронов увеличивается и / или энергия делящегося атома увеличивается, впадина между двумя пиками становится более мелкой. Например, кривая зависимости выхода от массы для 239 Pu имеет более мелкую долину, чем наблюдаемая для 235 U, когда нейтроны являются тепловыми нейтронами . Кривые деления более поздних актинидов имеют тенденцию к еще более пологим долинам. В крайних случаях, таких как 259 Fm , виден только один пик; это следствие того, что симметричное деление становится доминирующим из-за оболочечных эффектов .

На соседнем рисунке показано типичное распределение продуктов деления при делении урана

Обратите внимание, что в расчетах, использованных для построения этого графика, не учитывалась активация продуктов деления и предполагалось, что деление происходит в единичный момент, а не за отрезок времени. На этой гистограмме показаны результаты для разного времени охлаждения (время после деления)

Из-за стабильности ядер с четным числом протонов и / или нейтронов кривая выхода в зависимости от элемента не является гладкой кривой, а имеет тенденцию к чередованию. Обратите внимание, что кривая зависимости от массового числа гладкая.

Закон радиоактивного распада

Если имеется большое количество одинаковых радиоактивных ядер, то вероятность распада каждого из них в любой момент времени одинакова. Радиоактивный распад любого ядра является случайным процессом, поэтому момент его распада предсказать невозможно.

Однако для большого числа частиц, находящихся в образце вещества, выполняется статистический закон радиоактивного распада.

Закон радиоактивного распада:
число нераспавшихся атомных ядер при естественном радиоактивном распаде экспоненциально уменьшается с течением времени.

Период полураспада – это время, в течение которого распадается половина способных к распаду ядер.

В начальный момент времени ​\( t \)​ = 0, число атомных ядер ​\( N_0 \)​.

Через промежуток времени, равный периоду полураспада ​\( t=T_{1/2} \)​, число атомных ядер ​\( N=\frac{N_0}{2} \)​.

Через промежуток времени, равный двум периодам полураспада \( t=2T_{1/2} \), число атомных ядер \( N=\frac{N_0}{4}=\frac{N_0}{2^2} \).

Через промежуток времени, равный ​\( n \)​ периодам полураспада ​\( t=nT_{1/2} \)​, число атомных ядер \( N=\frac{N_0}{2^n} \).

где ​\( N \)​ – число нераспавшихся атомных ядер к моменту времени ​\( t \)​; ​\( N_0 \)​ – начальное число атомных ядер; ​\( T_{1/2} \)​ – период полураспада.

На рисунке период полураспада соответствует времени, в течение которого число радиоактивных ядер (активность) уменьшается вдвое.

Сравнительная таблица

Таблица сравнения ядерного деления и ядерного синтеза
Ядерное деление Термоядерная реакция
Определение Деление — это разделение большого атома на два или несколько меньших. Слияние — это слияние двух или более более легких атомов в более крупный.
Естественное протекание процесса Реакции деления в природе обычно не бывает. Слияние происходит в звездах, таких как Солнце.
Побочные продукты реакции При делении образуется много высокорадиоактивных частиц. В результате реакции синтеза образуется мало радиоактивных частиц, но если использовать «спусковой механизм» деления, то в результате будут возникать радиоактивные частицы.
Условия Требуются критическая масса вещества и высокоскоростные нейтроны. Требуется высокая плотность, высокая температура окружающей среды.
Требования к энергии Требуется мало энергии, чтобы разделить два атома в реакции деления. Чрезвычайно высокая энергия требуется, чтобы подвести два или более протонов достаточно близко, чтобы ядерные силы преодолели их электростатическое отталкивание.
Высвобожденная энергия Энергия, выделяемая при делении, в миллион раз больше, чем выделяется при химических реакциях, но ниже, чем энергия, выделяемая при ядерном синтезе. Энергия, выделяемая при синтезе, в три-четыре раза больше, чем энергия, выделяемая при делении.
Ядерное оружие Один из классов ядерного оружия — это бомба деления, также известная как атомная бомба или атомная бомба. Один из классов ядерного оружия — водородная бомба, в которой для «запуска» реакции синтеза используется реакция деления.
Производство энергии Деление используется на атомных электростанциях. Fusion — это экспериментальная технология производства энергии.
Топливо Уран — основное топливо, используемое на электростанциях. Изотопы водорода (дейтерий и тритий) являются основным топливом, используемым на экспериментальных термоядерных электростанциях.

Исследования ядерного синтеза

Первая наблюдаемая ядерная реакция была (эндотермической) реакцией синтеза. Он был открыт — задолго до ядерного деления — Эрнестом Резерфордом в 1917 году во время экспериментов с альфа-частицами . Были обнаружены протоны относительно высокой энергии, которые появлялись только тогда, когда облучаемый газ содержал азот. Эта ядерная реакция называется в сегодняшних обозначениях 14 N (α, p) 17 O или подробно записывается:

14-еN+4-йЧАСе→17-еО+1ЧАС-1,2М.еV{\ displaystyle {} ^ {14} \ mathrm {N} + {} ^ {4} \ mathrm {He} \, \ rightarrow \, {} ^ {17} \ mathrm {O} + {} ^ {1} \ mathrm {H} -1,2 \, \ mathrm {МэВ}}

Это превращение азота в кислород , как и сам альфа-распад , противоречило классической теории, согласно которой кулоновский барьер можно преодолеть только с достаточной энергией. Только в 1928 году Джордж Гамов смог объяснить такие процессы на основе новой квантовой механики с туннельным эффектом .

Еще в 1920 году Артур Эддингтон предложил реакции синтеза в качестве возможного источника энергии звезд на основе точных измерений масс изотопов Фрэнсисом Уильямом Астоном (1919) . Поскольку из спектроскопических наблюдений было известно, что звезды в основном состоят из водорода , здесь было рассмотрено его синтез с образованием гелия . В 1939 году Ганс Бете опубликовал различные механизмы того, как эта реакция могла происходить в звездах.

Первой реакцией синтеза, специально проведенной в лаборатории, была бомбардировка дейтерия ядрами дейтерия в 1934 году Марком Олифантом , помощником Резерфорда, и Полом Хартеком . Синтез этого изотопа водорода, который редко встречается в звездах, разветвляется на два канала продукта:

2ЧАС+2ЧАС→3ЧАСе+1п+3,3М.еV{\ displaystyle {} ^ {2} \ mathrm {H} + {} ^ {2} \ mathrm {H} \, \ rightarrow \, {} ^ {3} \ mathrm {He} + {} ^ {1} \ mathrm {n} +3 {,} 3 \, \ mathrm {МэВ}}
2ЧАС+2ЧАС→3ЧАС+1п+4-й,М.еV{\ displaystyle {} ^ {2} \ mathrm {H} + {} ^ {2} \ mathrm {H} \, \ rightarrow \, {} ^ {3} \ mathrm {H} + {} ^ {1} \ mathrm {p} +4 {,} 0 \, \ mathrm {МэВ}}

Техническое использование термоядерного ядерного синтеза сначала преследовалось с целью разработки военного оружия. Следовательно, это исследование проводилось тайно в течение первых десятилетий после Второй мировой войны . США владели атомной бомбой, основанной на делении, с 1945 года, а Советский Союз — с 1949 года . В последующие годы Эдвард Теллер и Станислав Улам разработали концепцию создания водородной бомбы в США , которая основана на ядерном синтезе и обещает значительно более высокую взрывную мощность. 1 ноября 1952 года первая водородная бомба под названием « Айви Майк» была взорвана на атолле Эниветок в Тихом океане. Это стало доказательством того, что большое количество энергии может также выделяться на Земле посредством ядерного синтеза.