Відомо, що речовини складаються з молекул і атомів. Атом, у свою чергу, містить ядро і елементарні частинки – електрони, протони і нейтрони. Взаємодія атомних ядер між собою породжує ядерні реакції поділу і синтезу. Ці процеси призводять до вивільнення або поглинання великої кількості енергії.

Історія відкриття

Вперше процес ядерної реакції спостерігався Резерфордом у 1919 році. За допомогою спеціального пристрою – камери Вільсона – були зроблені фотографії цих реакцій.

Через 20 років у Німеччині було вперше виявлено поділ ядер урану. Цей процес отримав назву ядерний розпад. На підставі цього явища в 1942 році був побудований перший ядерний реактор.

Процес, зворотний розпаду, отримав назву ядерна реакція синтезу. Оскільки важкі ядра в цьому випадку утворюються за рахунок теплового руху, процес називають термоядерним синтезом.

Суть процесу

Процес ядерного синтезу проходить наступним чином. Два або більше атомних ядра піддаються зближенню між собою. Між ними виникає взаємодія, яка переважає над так званими силами кулонівського відштовхування. Дане взаємодія приводить до утворення нових, більш важких ядер. В момент створення ядра вивільняється значна кількість енергії. Ця енергія згодом використовується людиною.

Паливо для реакцій

Для проведення ядерного синтезу найчастіше застосовуються важкі ізотопи водню – дейтерій і тритій. Вони вимагають менше енергії для проведення реакції в порівнянні з енергією що виділяється в процесі злиття. В принципі, для синтезу можуть використовуватися і інші види палива, наприклад, дейтерій і гелій-3, монотопливо дейтерію та інші.

Так звані “безнейтронные” реакції (наприклад, з гелієм) є більш перспективними, оскільки в іншому випадку нейтронний потік забирає частину енергетичної потужності реакції. До того ж, “безнейтронные” реакції менше сприяють радіоактивного забруднення.

Умови проведення реакції

Для коректного проведення процесу ядерного синтезу необхідно виконання двох умов.

Реагує речовина повинна бути підігрітий до найвищих температур. Тільки достатня кількість енергії призводить до процесу зіткнення ядер.

Термоизолированность реакції – друга необхідна умова: температура нагрівання суміші повинна підтримуватися постійною протягом всього часу проведення реакції.

Термоядерний реактор

Пристроєм для проведення ядерного синтезу є термоядерний реактор. Його головне призначення – забезпечити сталість оптимальних умов для реакції. На виході повинно вийти більшу кількість енергії, ніж вимагалося для проведення реакції.

Незважаючи на те, що процес злиття атомних ядер досліджується вже кілька десятиріч, термоядерний реактор залишається лише проектом. Дотримання умов протікання ядерних реакцій досяжно лише в лабораторних умовах.

Найбільш перспективним проектом термоядерного реактора в даний час є ІТЕР – ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor).

Будівництво майданчика для реактора почалося в 2007 році. Розташовуватися він буде у Франції, в дослідницькому центрі Кадараш. Закінчення будівництва було заплановано на 2016 рік, але фінансові витрати виявилися вищими за очікувані. На даний момент роком відкриття реактора імовірно називають 2025.

Термоядерний реактор – міжнародний проект. У його будівництві беруть участь країни Євросоюзу, Росія, Індія, Китай, США, Японія та інші.

Холодний ядерний синтез

Як вже було зазначено, термоядерні реакції можливі лише при впливі високих температур. Таким чином, енерговитрати на їх проведення є досить істотними. Це породило спекуляції на тему холодного ядерного синтезу (ХЯС).

Теоретично, ХЯС є процесом, при якому злиття ядер забезпечувалося б не під впливом екстремальних температур, а при звичайних термо-умовах, наприклад, при кімнатній температурі.

Починаючи з 1989 року, регулярно надходять відомості, що тією чи іншою наукового групі вдалося провести реакцію холодного синтезу. Проте на даний момент всі ці заяви були недостовірними.

Вперше подібну заяву було зроблено вченими з університету Юти (США) – Флейшманом і Понсом. Вони оголосили, що їм вдалося провести реакцію при кімнатній температурі. Експериментального підтвердження їхніх слів не було виявлено.

Надалі ще кілька вчених заявляли про сенсаційне відкриття, але кожен раз інформація не підтверджувалася науково. На сьогоднішній день реакція холодного ядерного синтезу залишається лише бажаною перспективою.

Термоядерні процеси в космосі

Процеси ядерного синтезу відіграють величезну роль в еволюції Всесвіту. Сонце і зірки – це гігантські термоядерні реактори. Під впливом високих температур у них відбувається злиття ядер атомів водню, і з’являється гелій. Його ядра теж зливаються, утворюючи нові елементи. Реакції тривають протягом мільйонів років, поки не вигорить все зоряне речовина. В ході цих процесів утворюється велика кількість енергії. Саме енергія Сонця подарувала життя Землі.

Застосування ядерних реакцій

Енергія ядерного синтезу і ядерного розпаду має величезне значення для людства. Результати реакцій застосовуються в різних сферах діяльності. Нижче представлені деякі з них.

Енергетика. Основне наслідок ядерних реакцій – виділення енергії. Тому у сфері енергетики знайшлося їм головне застосування. Ядерні реакції вимагають досить невелику кількість палива, а енергія, вироблена в ході процесу, є величезною. Зокрема, на Землі міститься велика кількість урану, що є одним з головних джерел ядерного палива. Енергія атомного ядра використовується в атомних електростанціях, на атомних підводних човнах і криголамах. У перспективі ядерне паливо зможе застосовуватися на космічних кораблях.

Медицина. Ядерні реакції можуть використовуватися в таких галузях медицини, як кардіологія, онкологія і неврологія. Радіоізотопи широко застосовуються в діагностиці. Радіоактивні елементи входять до складу деяких ліків. Метод брахітерапії використовується для доставки невеликого джерела радіації до хворого органу з метою руйнування патологічних утворень. До сфери ядерної медицини також іноді відносять променеву терапію.

Створення нових хімічних елементів. Ядерні реакції призводять до появи нових елементів, що займають своє місце у періодичній системі.

Озброєння. Застосування ядерного поділу і ядерного синтезу у військовій сфері є неоднозначним. Створення ядерної зброї може призвести до серйозних наслідків для всього людства.

Ядерна загроза

У 1945 році світ був приголомшений трагедією японських міст Хіросіми і Нагасакі. Уряд Сполучених Штатів скинуло дві атомні бомби на Японію, мотивуючи це прагненням покласти край Другій світовій війні.

Наслідки даної події виявилися шокуючими. Атомна бомба довела свою ефективність, практично вщент зруйнувавши обидва міста. Потужність вибухів була колосальною. За роки війни вже було проведено ряд випробувань ядерної зброї, але вперше воно було застосовано проти населення.

Атомний вибух не тільки забрав величезну кількість життів. Вижили після скидання бомби відчули на собі страшні наслідки через кілька років. Радіація призвела до появи променевої хвороби – хвороби, проявився не тільки у людей, які опинилися поблизу вибуху, але й у дітей, народжених в подальшому у цих людей.

Атомні вибухи призводять до великих викидів іонізуючого випромінювання. Радіація здатна зберігати свої іонізуючі властивості протягом десятків і сотень років, поширюючись через атмосферу, забруднюючи води, випадаючи у вигляді опадів.

Ядерна зброя являє серйозну загрозу. Гонка озброєнь, яка тривала практично всю другу половину 20 століття, поставила планету перед можливістю Третьої світової війни. В даний час багато країн мають ядерну зброю, ставлячи під загрозу життя всього людства.

Не тільки ядерне озброєння може таїти небезпеку. Об’єкти мирного призначення також можуть призвести до сумних наслідків при нестачі контролю. Трагедія на Чорнобильській АЕС у 1976 році наочно демонструє, що може статися, якщо недооцінювати ядерну міць.

Реакції ядерного синтезу і ядерного розпаду є важливими досягненнями науки. Відкриття в даній сфері можуть використовуватися як на зло, так і на благо. Правильне відношення до ядерних процесів дозволяє мінімізувати ризики використання атомного потенціалу.