Ядрени реакции — определение, видове и приложения

Ядрени реакции: определение, видове (синтез, делене, радиоактивен разпад) и приложения — от производство на енергия в реактори до ускорители и космически процеси.

Ядрената реакция е процес, в който участва атомно ядро или повече от едно ядро. При ядрените реакции се променя съставът на ядрата — броят на протоните и/или неутроните — и често се отделя или поглъща голямо количество енергия в сравнение с химичните процеси. Типичната енергия, отделяна при ядрени реакции, се измерва в мегаелектронволти (MeV) и е порядъкове по-голяма от енергиите на химическите връзки. Явления като радиоактивен разпад също са част от семейството на ядрените процеси, но понякога се разглеждат отделно като спонтанни трансформации на нестабилни ядра.

Видове ядрени реакции

Най-често разграничавани видове са:

1. Ядрен синтез - реакция, при която се сблъскват две или повече частици. Резултатът е нови частици, които са различни от първите.
2. Ядрено делене - разпадане на ядрото на части.
3. Радиоактивен разпад, при който ядрото изхвърля нещо, превръщайки се в друг вид ядро.

Към тези основни типове могат да се добавят и по-специфични реакции като улов на неутрон ((n,γ)), протонни реакции ((p,α), (p,n)), реакции предизвикани в ускорители, както и спонтанно делене. Реакциите се характеризират с Q-стойност — енергията, която се освобождава (положителна Q) или се изисква (отрицателна Q) за протичането им — и с сечение (cross-section), което описва вероятността реакцията да се случи при дадени условия.

Спонтанни и индуцирани процеси

В случая с радиоактивността реакцията е спонтанна — ядрата сами по себе си се разрушават в други ядра и излъчват частици или фотони. Разделянето и синтезът могат да се извършват целенасочено, за да се освободи енергия. Тази енергия може да бъде използвана за различни цели, например за производство на пара (като в ядрена електроцентрала). Тя може да се използва и като енергия за бомба.

Примери

Класически пример за синтез е сливането на изотопи на водорода — дейтерий и тритий — при което се получава хелиум-4 и един неутрон, с голямо отделяне на енергия (D + T → He-4 + n). За делене пример е ядреното делене на U-235 след улов на неутрон, при което се образуват две по-леки ядра (фрагменти), няколко неутрона и голямо количество енергия. На примерната фигура ^6Li се слива с деутерий. Така се получава берилий, който се разпада на две алфа частици.

Къде протичат ядрени реакции

Ядрени реакции протичат на слънцето (и в други звезди) — там чрез термоядрен синтез се произвеждат тежки елементи и светлина; в ядрени реактори — контролирано делене за производство на топлина и след това електричество; в ускорители на частици — за изследвания и за производство на радиоизотопи; и в космическото пространство — при взаимодействие на частици с висока енергия. Освен радиоактивноторазпадане, на Земята протичат много малко ядрени реакции, освен на тези специални места. Ядрените реактори използват ядрените реакции за производство на топлина и електричество. Ускорителите понякога предизвикват ядрени реакции за получаване на радиоактивни материали. Частици от космоса предизвикват ядрени реакции в земната атмосфера, които правят въздуха леко радиоактивен.

Законите за запазване и характеристики

При всички ядрени реакции са в сила основните закони за запазване: енергия, импулс, общ заряд (брой протони), както и общ брой нуклеони в повечето реакции (с изключение на случаи със създаване/унищожаване на маса при високоенергийни процеси). Запазват се и спиновите и параитетните характеристики в зависимост от типа взаимодействие. Радиоактивните процеси се описват чрез период на полуразпад (полуживот), който определя колко време е необходимо за половината от дадено количество радиоактивен изотоп да се преобразува.

Приложения

• Производство на електричество — ядрените централи използват топлината от делене за производство на пара и въртене на турбини.
• Медицина — радионуклиди се използват в диагностиката (напр. радиоизотопни скенери) и в лечението (радиотерапия, брахитерапия). Примери: 99mTc за изображение, I-131 за лечение на щитовидната жлеза.
• Индустрия и земеделие — неразрушаваща проверка, стерилизация на храни, подобряване на сортове чрез мутагенеза.
• Наука и технологии — изследвания в ядрена физика, синхротрони, производство на специфични изотопи в ускорители.
• Космически приложения — радиоизотопни термоелектрични генератори (RTGs) за захранване на космически мисии (основани на радиоактивен разпад).
• Военни приложения — използване на делене и синтез за оръжия (ядрени бомби).

Безопасност, отпадъци и екологични аспекти

Работата с ядрените реакции изисква строги мерки за безопасност: щитове, контрол на експозицията, системи за контрол на критичност и надеждни механизми за овладяване на аварии. Образуват се радиоактивни отпадъци с различна активност и полуживот — от ниско до високо ниво — които трябва да се управляват чрез обезопасяване, съхранение, може и преработка. Дългоживеещите високоактивни отпадъци изискват постоянно и сигурно хранилище за стотици до хиляди години.

Измерване и наблюдение

Радиоактивността и ядрените реакции се следят с детектори като газови пропорционални броячи, сцинтилационни детектори, полупроводникови детектори и спектрометри. Важни параметри са активността (Bq), дозираната експозиция и енергийният спектър на излъчваните частици.

Разлика между ядрени и химични реакции

Ядрените реакции се различават от химичните по това, че променят ядрото на атома, а не електронните обвивки; за тях не са характерни катализатори в класическия смисъл и не могат да се контролират чрез промяна на химични условия. Радиоактивното разпадане също не може да бъде спряно, ускорено или забавено чрез химични методи; скоростта на разпада е свойство на самото ядро.

Ядрените реакции са основен източник на енергия в природата (звезди) и мощен инструмент в технологиите и медицината, но изискват отговорно управление поради рисковете, свързани с радиация и дългосрочните отпадъци.

Въпроси и отговори

В: Какво представлява ядрената реакция?

В: Как работи ядреният синтез?

В: Какъв е резултатът от реакцията на ядрено делене?

В: По какво радиоактивното разпадане се различава от другите видове реакции?

В: Къде се случват ядрените реакции?

В: Какви са някои приложения на енергията, освободена при ядрена реакция?

Търсене по буква