ბირთვული რეაქცია – ეს არის ატომის ბირთვის სხვა ბირთთვთან ან ელემენტალურ ნაწილაკთან ურთიერთქმედების პროცესი, რომელსაც თან ახლავს ბირთვის შემადგენლობისა და სტრუქტურის ცვლილება და მეორადი ნაწილაკების ან γ-ქვანტის გამოყოფა.
ბირთვული რეაქციების შედეგად შეიძლება წარმოიქმნას ახალი რადიოაქტიური იზოტოპები, რომლებიც დედამიწაზე ჩვეულებრივ პირობებში არ არსებობენ.
პირველი ბირთვული რეაქცია განხორციელებული იყო რეზერფორდის მიერ 1919 წელს ბირთვების დაშლის პროდუქტებში პროტოინების აღმოჩენისთვის ჩატარებულ ცდებში. რეზერფორდი აზოტის ატომებს ბომბავდა α-ნაწილაკებით. ნაწილაკების შეჯახებისას მიმდინარეობდა ბირთვული რეაქცია შემდეგი სქემით:
ბირთვული რეაქციები შეიძლება განხორციელდეს ატომების ჩქარი ნაწილაკებით (პროტონებით, ნეიტრონებით, α-ნაწილაკებით, იონებით) ბომბარდირების დროს. პირველი ამგვარი რეაქცია განხორციელებულ იქნა, ამაჩქარებელზე მიღებული, მაღალი ენერგიის პროტონების მეშვეობით 1932 წელს:
ბირთვულ რეაქციებს თან სდევს ენერგეტიკული გარდაქმნები. ბირთვული რეაქციის ენერგეტიკული გამოსავალი ეწოდება
|
Q = (MA + MB – MC – MD)c2 = ΔMc2. |
იმისათვის რათა ბირთვულ რეაქციას ჰქონდეს დადებითი ენერგეტიკული გამოსავალი, საყისი პროდუქტების ბირთვების ნუკლონების ბმის კუთრი ენერგია ნაკლები უნდა იყოს საბოლოო პროდუქტების ბირთვებში ნუკლონების ბმის კუთრ ენერგიაზე. ეს ნიშნავს, რომ ΔM სიდიდე დადებითი უნდა იყოს.
შესაძლებელია ბირთვული ენერგიის გათავისუფლების ორი პრინციპიალურად განსხვავებული საშუალება
1. მძიმე ბირთვების დაყოფა. ბირთვების რადიაქტიული დაშლისგან, რომელსაც ახლავს α- და β-ნაწილაკების გამოსხივება, განსხვავებით დაყოფის რეაქცია არის პროცესი, რომლის დროსაც არამდგრადი ბირთვი იყოფა ორ დიდ თანაფარდი მასის ფრაგმენტად.
1939 წელს გერმანელმა მეცნიერებმა ოტო განმა და ფრიც შტრასმანმა აღმოაჩინეს ურანის ბირთვის დაყოფა. ფერმის მიერ დაწყებული კვლევების გაგრძელებით მათ დაადგინეს, რომ ურანის ნეიტრონებით დაბომბვის დროს წარმოიქმნება პერიოდული სისტემის შუა ნაწილის ელემენტების – ბარიუმის (Z = 56), კრიპტონისა (Z = 36) და სხვ. რადიოაქტიური იზოტოპები.
ბუნებაში ურანი გვხვდება ორი იზოტოპის სახით:: 
(99,3 %) და 
(0,7 %). ორივე იზოტოპის ბირთვები ნეიტრონებით ბომბარდირებისას შეიძლება გაიხლიჩოს ორ ნამსხვრევად. ამასთან -ს დაყოფის რეაქცია უფრო ინტენსიურად მიდის ნელ (სითბურ) ნეიტრონებზე, მაშინ როცა -ს ბირთვები შედიან დაყოფის რეაქციაში მხოლოდ ჩქარ, 1მევ რიგის ენერგიის ნეიტრონებთან.
ბირთვული ენერგეტიკისთვის ძირითად ინტერესს წარმოადგენს ბირთვის დაყოფის რეაქცია. დღესდღეობით ცნობიალია დაახლოებით 100 სხვადასხვა იზოტოპი მასური რიცხვით დაახლოებით 90-დან 145-მდე, რომლებიც ამ ბირთვის დაყოფის შედეგად წარმოიქმნება. ამ ბირთვის ორ ტიპურ რეაციას აქვს შემდეგი სახე:
ერთი ურანის ბირთვის დაყოფისას გამოყოფილი კინეტიკური ენერგია უზარმაზარია – 200 მევ-ის რიგისაა. ბირთვის დაყოფისას გამოყოფილი ენერგიის რაოდენობის შეფასება შესაძლებელია ბირთვში ნუკლონების ბმის კუთრი ენერგიის მცნების მეშვეობით. A ≈ 240 მასური რიცხვის ბირთვებში ნუკლონების ბმის კუთრი ენერგია 7,6 მევ/ნუკლონი რიგისაა, მაშინ როცა A = 90–145 მასური რიცხვის მქონე ბირთვებში კუთრი ენერგია დაახლოებით 8,5 მევ/ნუკლონი-ს ტოლია. შესაბამისად, ურანის ბირთვის დაყოფისას თავისუფლდება 0,9 მევ/ნუკლონი-ს რიგის ენერგია ანუ დაახლოებით ერთ ურანის ატომზე დაახლოებით 210 მევ ენერგია. 1 გრ ურანში ყველა ბირთვის სრული დაყოფით გამოიყოფა ისეთივე ენერგია, როგორც 3 ტონა ნახშირის ან 2,5 ტონა ნავთის დაწვის შედეგად.
ურანის დაყოფის პროდუქტები არასტაბილურია, რადგან მათში მნიშვნელოვანი რაოდენობის ჭარბი ნეიტრონებია. მართლაც, ყველაზე მძიმე ბირთვებისათვის N / Z ფარდობა დაახლოებით არის 1,6, 90-დან 145-მდე მასური რიცხვის ბირთვებისთვის ეს ფარდობა 1,3–1,4 რიგისაა. ამიტომ ბირთვი-ნამსხვრევები განიცდიან β–-დაშლების თანმიმდევრულ სერიას, რის შედეგადაც ბირთვში პროტონების რიცხვი იზრდება, ხოლო ნეიტრონების რიცხვი მცირდება მანამ, სანამ არ ჩამოყალიბდება სტაბილური ბირთვი.
ურან-235-ს ბირთვის დაყოფისას, რაც გამოწვეულია ნეიტრონთან შეჯახებით, თავისულდება 2 ან 3 ნეიტრონი. ხელსაყრელ პირობებში ეს ნეიტრონები შეიძლება შეეჯახნონ ურანის სხვა ბირთვებს და გამოიწვიონ მათი დაყოფა. ამ ეტაპზე წარმოიქმნება უკვე 4-დან 9-მდე ნეიტრონი, რომელთაც შეუძლიათ ურანის ახალი გახლეჩები და ა.შ. ასეთ ზვავისებურ პრიცესს ჯაჭვური რეაქცია ეწოდება. ურანის ბირთვის დაყოფის ჯაჭვური რეაქციის განვითარების სქემა მოტანილია ნახ. 1-ზე.
ნახაზი 1.
ჯაჭვური რეაქციის განვითარების სქემა
ჯაჭვური რეაქციის განსახორციელებლად აუცილებელია, რომ ე.წ. ნეიტრონების გამრავლების კოეფიციენტი ერთზე მეტი იყოს. სხვა სიტყვებით, ყოველ შემდგომ თაობაში ნეიტრონები უნდა იყოს მეტი ვიდრე წინაში. გამრავლების კოეფიციენტი განისაზრვრება არა მარტო ყოველ ელემენტალურ აქტში წარმოქმნილი ნეიტრონების რიცხვით, არამედ იმ პირობებითაც, რომელშიც მიმდინარეობს რეაქცია – ნეიტრონების ნაწილი შეიძლება შთაინთქას სხვა ბირთვებით ან გამოვიდეს რეაქციის ზონიდან. ურან-235-ის დაყოფისას გათავისუფლებულ ნეიტრონებს შეუძლიათ ისევ ამ ურანის ბირთვების გახლეჩა, რომლის წილიც ბუნებრივ ურანში მხოლოდ 0,7 %-ს შეადგენს. ასეთი კონცენტრაცია არასაკმარისია ჯაჭვური რეაქციის დასაწყებად. იზოტოპს ასევე შეუძლია შთანთქოს ნეიტრონი, მაგრამ ამ დროს ჯაჭვური რეაქცია არ წარმოიქმნება.
ჯაჭვური რეაქცია ურან-235-ის გაზრდილი შემცველობის ურანში შეიძლება განვითარდეს მხოლოდ მაშინ, როცა ურანის მასა აჭარბებს ე.წ. კრიტიკულ მასას. ურანის მცირე ნატეხებში უმეტესობა ნეიტრონებისა ვერცერთ ბირთვთან შეუჯახებლად გამოფრინდებიან გარეთ. სუფთა ურან-235-ისთვის კრიტიკული მასა შეადგენს 50 კგ-ს.
ურანის კრიტიკული მასა შიძლება ბევრჯერ შემცირდეს ე.წ. ნეიტრონების შემანელებლების გამოყენებით. საქმე იმაშია, რომ ურანის დაყოფისას დაბადებულ ნეიტრონებს, აქვთ ზედმეტად მაღალი სიჩქარეები, ხოლო ურან-235-ის მიერ ნელი ნეიტრონების ჩაჭერის ალბათობა ასობითჯერ მეტია ვიდრე ჩქარი ნეიტრონების. ნეიტრონების საუკეთესო შემანელებელს წარმოადგენს მძიმე წყალი D2O. ჩვეულებრივი წყალი ნეიტრონებთან ურთიერთქმედებისას თვითონ გარდაიქმნება მძიმე წყლად.
კარგი შემანელებელი არის აგრეთვე გრაფიტი, რომლის ბირთვებიც ნეიტრონებს არ შთანთქავენ. დეიტერიუმის ან ნახშირბადის ბირთვებთან დრეკადი ურთიერთქმედებისას ნეიტრონები ნელდებიან სითბურ სიჩქარეებამდე.
ნეიტრონების შემანელებლებისა და ნეიტრონების ამრეკლი ბერილიუმისგან დამზადებული სპეციალური გარსის გამოყენება საშუალებას იძლევა 250 გრამამდე შემცირდეს კრიტიკული მასა.
ატომურ ბომბებში უმართავი ჯაჭვური რეაქცია წარმოიქმნება ურან-235-ის ორი კრიტიკულზე რამდენადმე ნაკლები მასის ნატეხის სწრაფი შეერთებით.
მოწყობილობას, სადაც ნარჩუნდება ბირთვების დაყოფის მართვადი რეაქცია, ეწოდება ბირთვული (ან ატომური) რეაქტორი. ნელ ნეიტრონებზე მომუშავე ბირთვული რეაქტორის სქემა მოყვანილია ნახ. 2-ზე.
ნახაზი 2.
ნელ ნეიტრონებზე ბირთვული რეაქტორის მოწყობის სქემა
ბირთვული რეაქცია მიმდინარეობს რეაქტორის აქტიურ ზონაში, რომელიც შევსებულია შემანელებლით და განჭოლილია ღეროებით, რომლებიც ურანის იზოტოპით გამდიდრებულ ნარევს წარმოადგენს ურან-235-ის ამაღლებული (3%-მდე) შემცველობით. აქტიურ ზონაში შეაქვთ მარეგულირებელი კადმიუმის ან ბორის შემცველი ღეროები, რომლებიც ინტენსიურად შთანთქავენ ნეიტრონებს. ღეროს აქტიურ ზონაში შეყვანა საშუალებას იძლევა იმართოს ჯაჭვური რეაქციის სიჩქარე.
აქტიური ზონა გრილდება სითბომატარებლის ჩატუმბვით. სითბომატარებლად შეიძლება გამოყენებულ იქნას წყალი ან დნობის დაბალი ტემპერატურის მქონე მეტალი (მაგალითად, ნატრიუმი, რომლის დნობის ტემპერატურაა 98 °C). ორთქლგენერატორში სითბომატარებელი სითბურ ენერგიას გადასცემს წყალს, გარდაქმნის მას რა მაღალი წნევის ორთქლად, რომელიც მიემართება ელექტროგენერატორთან მიერათებულ ტურბინაში, ხოლო ტურბინიდან მიდის კონდენსატორში. რადიაციის გაჟონვის ასარიდებლად თბომატარებლის I და ორთქლგენერატორის II კონტურები მუშაობენ შეკრული ციკლით.
ატომური ელექტროსადგურის ტურბინა წარმოადგენს სითბურ მანქანას, რომელიც თერმოდინამიკის მეორე კანონის შესაბამისად განსაზღვრავს სადგურის საერთო ეფექტურობას. თანამედროვე ატომური ელექტროსადგურების მარგი ქმედების კოეფიციენტი დაახლებით \(\frac{1}{3}\)-ის ტოლია. შესაბამისად, 1000 მვტ ელექტრული სიმძლავრის საწარმოებლად რეაქტორის სითბური სიმძლავრე უნდა აღწევდეს 3000 მვტ-ს. 2000 მვტ უნდა წაიღოს წყალმა, რომელიც აგრილებს კონდენსატორს. ეს იწვევს ბუნებრივი წყალსაცავების ლოკალურ გადახურებას და აქედან მომდინარე ეკოლოგიურ პრობლემებს.
თუმცა, მთავარ პრობლემას წარმოადგენს ატომურ ელექტრო სადგურებზე მომუშავე ადამიანების რადიოაქტიური უსაფრთხოების უზრუნველყოფა და რეაქტორის აქტიურ ზონაში დიდი ოდენობით დაგროვილი რადიოაქტიური ნივთიერებების შემთხვევითი გაფრქვევების არიდება. ბირთვული რეაქტორების დაპროექტების დროს ამ პრობლემებს დიდი ყურადღება ეთმობა. მიუხედავად ამისა, ზოგიერთ აეს-ზე მომხდარი ავარიების შემდეგ, კერძოდ პენსილვანიაში (აშშ, 1979წ.) და ჩერნობილში (უკრაინა, 1986წ) ბირთვული ენერგეტიკის უსაფრთხოების პრობლემა განსაკუთრებით მწვავე გახდა.
ნელ ნეიტრონებზე მომუშავე ბირთვულ რეაქტორებთან ერთად დიდ პრაქტიკულ ინტერესს წარმოადგენს რეაქტორები, რომლებიც სწრაფი ნეიტრონების შემანელებლების გარეშე მუშაობენ. ასეთ რეაქტორებში ბირთვულ საწვავს წარმოადგენს გამდიდრებული ნარევი, რომელიც იზოტოპის არანაკლებ 15 %-ს შეიცავს. სწრაფ ნეიტრონებზე რეაქტორების უპირატესობა იმაში მდგომარეობს, რომ მათი მუშაობისას ურან-238-ის ბირთვები, შთანთქავენ რა ნეიტრონებს, ორი თანმიმდევრული β–-დაშლით გარდაიქმნება პლუტონიუმის ბირთვებად, რომლებიც შემდეგ შეიძლება გამოდგეს ბირთვულ საწვავად:
პირველი ბირთვული რეაქტორი აგებული იქნა 1942 წელს აშშ-ში ე.ფერმის ხელმძღვანელობით.
2. თერმობირთვული რეაქციები. ბირთვული ენერგიის გათავისუფლების მეორე გზა დაკავშირებულია სინთეზის რეაქციებთან. მსუბუქი ბირთვების შერწყმისა და ახალი ბირთვის წარმოქმნისას უნდა გამოიყოს დიდი ოდენობის ენერგია. ეს ჩანს ბმის კუთრი ენერგიის A მასურ რიცხვზე დამოკიდებულების მრუდიდან. დაახლოებით 60 მასურ რიცხვამდე ნუკლონების ბმის კუთრი ენერგია იზრდება A-ს ზრდასთან ერთად. ამიტომ A < 60 ნებისმიერი ბირთვის სინთეზს უნდა ახლავდეს ენერგიის გამოყოფა. სინთეზის რეაქციის პროდუქტების საერთო მასა ამ შემთხვევაში ნაკლები იქნება საწყისი ნაწილაკების მასაზე.
მსუბუქი ბირთვების შერწყმის რეაქციებს ეწოდება თერმობირთვული რეაქციები, რადგან ისინი შეიძლება განხორციელდნენ მხოლოდ ძალიან მაღალ ტემპერატურებზე. ორი ბირთვის სინთეზურ რეაქციაში ჩართვისთვის ისინი უნდა მიუახლოვდნენ ერთმანეთს ბირთვული ძალების მოქმედების მანძილზე რაც დაახლოებით 2·10–15 მ რიგისაა, გადალახავენ რა მათი დადებითი მუხტების განზიდვის ძალებს. ამისათვის მოლეკულების სითბური მოძრაობის საშუალო კინეტიკური ენერგია მეტი უნდა იყოს კულონური ურთიერთქმედების პოტენციურ ენერგიაზე. ამისთვის აუცილებელი T ტემპერატურის გამოთვლა გვაძლევს 108–109 К რიგის სიდიდეს. ეს ძალიან მაღალი ტემპერატურაა. ამ ტემპერატურაზე ნივთიერება სრულად იონიზირებულია და ამ მდგომარეობას ეწოდება პლაზმა.
თერმობირთვული რეაქციების დროს გამოყოფილი ენერგია, ერთ ნუკლონზე გათვლით, რამდენჯერმე აღემატება ბირთვების გახლეჩის რეაქციებისას გამოყოფილ კუთრ ენერგიებს. ასე, მაგალითად, დეიტერიუმისა და თრითიუმის შერწყმის რეაქციაში
მევ,
მართვადი თერმობირთვული რეაქციის განხორციელება კაცობრიობას მისცემს ახალ ეკოლოგიურად სუფთა და პრაქტიკულად ამოუწურავ ენერგიის წყაროს. თუმცა ზემაღალი ტემპერატურის მიღება და მილიარდობით ტემპერატურის მქონე პლაზმის შეკავება ურთულესი სამეცნიერო-ტექნიკური პრობლემაა თერმობირთვული სინთეზის განხორციელების გზაზე.
მეცნიერებისა და ტექნიკის მოცემულ ეტაპზე შესაძლებელი გახდა განხორციელებულიყო მხოლოდ უმართავი უმართავი სინთეზის რეაქცია წყალბადის ბომბით. ბირთვული სინთეზისთვის აუცილებელი მაღალი ტემპერატურა აქ მიიღწევა ჩვეულებრივი ურანის ან პლუტონის ბომბის აფეთქებით.
თერმობირთვული რეაქციები განსაკუთრებულ როლს თამაშობენ სამყაროს ევოლუციაში. მზისა და ვარსკვლავების გამოსხივების ენერგია თერმობირთვული წარმოშობისაა.
