Екатерина Вавилова – All sciences. №6, 2022. International Scientific Journal (страница 8)

Ядерная реакция синтеза – второй ядерный процесс, которые состоит в слиянии двух ядер с образованием нового, более тяжёлого ядра. Такой процесс часто сопутствуется излучением гамма-квантов или других элементарных частиц. Слияние ядер чаще всего эндо-энергетический процесс, из-за чего чаще всего требуется введение энергии через кинетические энергии частиц, чтобы преодолеть кулоновский барьер – электростатическое отталкивание ядер. Слияние двух ядер и придание им энергии может осуществиться, как не сложно догадаться в ускорителях заряженных частиц, либо же эти частицы изначально обладали этой энергией, к примеру частицы космического излучения, но есть ещё один способ – это нагрев вещества до крайне высоких температур в специальном термоядерном реакторе, где кинетическая энергия частиц и температуры крайне огромны.

Таким образом можно подойти и к термоядерным реакциям. В таких реакциях, слияние лёгких ядер приводит к превращению излишней массы первоначальных ядер в энергию, поскольку суммарная масса слившихся ядер больше массы результирующего ядра-продукта реакции.

Из этого можно сделать вывод, что ядерной реакции синтеза исходные ядра должны обладать относительно большой кинетической энергией, ибо они испытывают довольно мощное электростатическое отталкивание при прохождении с их стороны кулоновского барьера. Их кинетическую энергию, по молекулярно-кинетической теории можно представлять в виде температуры всего вещества, следовательно нагрев приведёт к увеличению кинетической энергии составных частиц и их слиянию. Именно так и развивается нуклонный синтез в недрах звёзд с образованием новых ядер под огромной температурой.

В частности, в большом количестве происходит реакция слияния протонов, ядер гелия, а также как побочный результат, образуются и иные изотопы веществ, в том числе дейтерий и тритий, как изотопы водорода. И наконец, последний вид ядерной реакции – фотоядерная реакция, в этом случае происходит поглощение гамма-кванта с достаточной энергией, чтобы возбудить нуклонный состав, то есть ядро, благодаря чему оно становится составным, то есть его можно считать таковым, а также высвобождает из себя иную структуру, либо распадается.

Данный процесс и называется фотоядерной реакцией или ядерным фотоэффектом. И в заключение стоит отметить, что ядерные реакции могут быть записаны как в виде уравнения, как это демонстрировалось ранее, или, к примеру в (9), также имеет место несколько иная запись (10).

По итогу можно сделать о большой важности наличия знаний о самих ядерных реакциях у любого исследователя, контактирующего с данной областью, в том числе и с физикой резонансных ядерных реакций.

И если заметить, то как и было отмечено, ядерная физика развивалась на протяжении многого времени, не говоря о времени, которое потратило человечество, для изучения структуры всей материи и вещества в целом. Но активные исследования привели к совершенно недавнему открытию нового направления в этой области, а именно к физике резонансных ядерных реакций. Впервые подобная терминология была использована и практически продемонстрирована в монографии 2021 года Алиева И. Х. и Шарофутдинова Ф. М. «Использование ускорителей и явлений столкновения элементарных частиц с энергией высокого порядка для генерации электрической энергии. Проект „Электрон“», которая в дальнейшем получила своё продолжение.

2. Физика резонансных ядерных реакций

Создателем физики резонансных ядерных реакций, является Алиев И. Х., но на чём же основана эта дисциплина? Она изучает и определяет максимально благоприятные условия для возникновения своего рода скачков мощностей продуктов ядерных реакций, которые и носят название резонансов. Если говорить проще, то, когда проходит ядерная реакция, у неё образуются продукты реакции, о которых говорилось в одной из предыдущих лекций и все обстоятельства, которые приводят к тому, что реакция будет более эффективной и их энергии будут большими и является тем, что изучает физика резонансных ядерных реакций.

Рассмотрим на примере. Пусть на ядро некоторого элемента направляются заряженные частицы, это могут протоны, ионы, электроны, всё что угодно. И при приближении к ядру, возникает явление кулоновского отталкивания, он действует только на одноимённые заряды, а именно на ядра, но не действует на нейтральные частицы, к примеру на нейтроны, хотя сами нейтроны тоже имеют минимальный заряд. Частица тратит какую-то энергию на преодоление кулоновского барьера и остаётся с некоторой её частью, которую она тратит на преодоление самого ядра и дальнейшего прохождения ядерной реакции.

В реакции выделяется соответствующая энергия, если это эндо-энергетическая, за счёт неравности масс, то есть какая-то часть массы превращается в энергию и её уже получают продукты самой реакции – вылетающие частицы, а также они получают ту оставшуюся часть энергии от бомбардировавшей частицы. И общая энергия этих продуктов реакции определяется по соответствующему математическому аппарату, но нам необходим скачок именно мощности.

Мощность – это произведение тока пучка на его энергию, то есть напряжение. Энергия действительно для благоприятных реакций большая и измеряется в МэВ, но ток крайне мал. Нужно каким-то образом его увеличить. Чтобы это сделать, необходимо понять явление вероятности прохождения ядерной реакции. Пучок сам по себе он и волна, и корпускула, то есть частица, согласно корпускулярно-волновому дуализму, о котором можно подробнее узнать из курса квантовой физики, поэтому она имеет свою длину волны де Бройля (1).

И когда частица приближается к ядру, даже если она в неё не попала и не дотронулась до него, если она находится на расстоянии своей длины волны, то взаимодействие будет. Да, действительно, даже не касаясь частица может «удариться» и войти во взаимодействие, таковы законы микромира. Значит, нужно увеличить эту длину волны, а для этого нужно уменьшить импульс, но, чтобы уменьшить импульс, нужно уменьшить скорость.

Но уменьшать скорость нужно так, чтобы частица прошла кулоновский барьер, из этого и можно сделать вывод, что энергия частицы максимально должна быть близкой к кулоновскому барьеру. И здесь, величина кулоновского барьера – это и есть резонансная энергия этой ядерной реакции.

Теперь, как же определить выходящую мощность? Для этого нужно вычислить энергию, что уже просто сделать, но как же определить резонансных ток? Чтобы его определить представим следующее. Пластина-мишень состоит из расположенных атомов и пусть внутрь входит определённое число заряженных частиц. Если расположить на начале мишени систему отсчёта, то можно использовать следующее положение о том, что частицы пройдут некоторую часть мишени, которая начинается на определённой координате и завершается на координате суммы этой координаты и толщины самой части, а толщина равна разности этих координат.

Встаёт вопрос к этому условию: сколько входящих заряженных частиц войдут во взаимодействие? Для этого укажем, что на первой координате имеется N (x) частиц, а на конечной точке N (x) -dN, соответственно, где dN – число взаимодействовавших заряженных частиц.

Определим количество ядер в этом отрезке двух координат – x и x+dx, если толщина между ними dx. Для этого введём значение плотности ядер, которое определяет количество ядер вещества в единице объёма, она определяется как отношение плотности вещества на его атомную массу в кг и изменяется в ядро/м³ (2).

Чтобы определить сколько ядер в указанной точке, достаточно эту величину (2) умножить на объём в этой части пластины, для этого её площадь умножается на толщину и на (2), что указано в (3).

Но чему равна площадь, попав в которую ядро попадёт во взаимодействие? Для одного ядра введём понятие ядерного эффективного сечения, той самой области, а поскольку действия происходят в круге относительно ядра атома, то эта величина определяется по (4).

Таким образом, площадь доступная для взаимодействия составляет (5).

Но отношение этой площади ко всей площади плиты ведь равняется отношению количества всех оставшихся без взаимодействия частиц на общее количество частиц, то есть верно (6).

Теперь, введём численное определение для (6), а для этого проинтегрируем обе части (7) отдельно в (8) и (9), а затем получим общий результат (10).

Отсюда можно получить значение про-взаимодействовавших частиц (11).

А выходящую мощность можно вычислить и благодаря (12).

Откуда и получается скачок в мощности, то есть резонанс при приближении к энергии кулоновского взаимодействия в ядерной реакции. Именно этот процесс и является основной в этом направлении, которая позволяет при калибровке энергии получать резкие скачки в мощностях, а чтобы их осуществить необходимо создание и разработка специальных моноэнергетических ускорителей заряженных частиц с первым линейным ускорением, далее циклотронным.

Сегодня ведётся разработка единственного во всём мире моноэнергетического ускорителя ООО «Electron Laboratory» совместно с Объединённым Институтом Ядерных Исследований и Федеральным Государственным Унитарным Предприятием «Научно-исследовательский Институт Электрофизической Аппаратуры имени Дмитрия Васильевича Ефремова» и других организаций.