Текст выступления:

Ядролық реакциялар. Жасанды радиоактивтілік. Ауыр ядролардың бөлінуі. Тізбекті ядролық реакциялар. Критикалық масса. Термоядролық реакция
1. Ядролық реакциялар: негізгі ұғымдар мен маңызды бағыттар

Ядролық реакциялар – бұл энергия, медицина және технология салаларының іргетасын қалаған терең әрі кең ғылыми бағыт. Бұл салада атом ядросы және оның өзгерістерінің құпиялары ашылып, адамзатқа үлкен мүмкіндіктер берді. Бүгінгі сөзімізде ядролық реакциялардың маңызы мен әртүрлі түрлері, олардың қолданылуы туралы толық мәлімет беріліп, ғылым мен техникадағы орнына тоқталамыз.

2. Ядролық физиканың бастаулары мен негізгі принциптері

Ядролық физика XX ғасырдың басында алаңға шықты. Резерфордтың атом ядросын ашуы, Мария Кюридің радиоактивтілікті зерттеуі, Энрико Фермидің нейтрондармен жұмыс істеуі бұл ғылымды дамытты. Ядроның құрылысы мен бөлшектері туралы алғаш түсініктер қалыптаса отырып, ядролық энергия көздерінің, медициналық құралдардың негізі қаланды. Бұл ғылыми жол адамзаттың энергия мен денсаулық сақтау саласында жаңа дәуірін ашты.

3. Ядролық реакциялардың мәні мен сипаты

Ядролық реакциялар – атом ядросының немесе ядролық бөлшектердің өзара әрекеті барысында жаңа ядро мен бөлшектердің түзілуі үдерісі. Бұл процесс кезінде ядроның салмағы, құрамы мен энергия балансы жұмыс істейді. Энергияның бөлінуі немесе сіңуі, нуклондардың санының өзгеруі реакцияның негізгі ерекшеліктері. Нәтижесінде ядроның құрылымы мен физикалық қасиеттерінде маңызды өзгерістер орын алып, ядролық реакциялар физикасының негізін құрайды.

4. Ядролық реакциялардың негізі түрлері

Ядролық реакциялардың екі негізгі типі бар: синтез және бөліну реакциялары. Синтез реакциясында жеңіл ядролар бірігіп ауыр ядроны құрайды; бұл процесс Күн мен жұлдыздағы энергияның қайнар көзі болып табылады. Сонымен қатар, бөліну реакциясы ауыр ядроларға нейтрон түсуімен ядроның екіге бөлінуін қамтиды; бұл реакция ядролық электр станцияларында энергия алу үшін кеңінен қолданылады. Мұндай айырбас энергияның тиімді және қауіпсіз көзін қамтамасыз етеді.

5. Жасанды радиоактивтіліктің ашылу кезеңдері

Өкінішке орай, осы слайдтағы мәліметтер толық емес, бірақ жасанды радиоактивтіліктің ашылу тарихы маңызды. 1934 жылы Ирен және Фредерик Жолио-Кюрилер ядролық реакция арқылы жасанды радиоактивті изотоптар шығарды. Бұл жаңалық радиоактивтік термиялық әдістердің жаңғыруына ықпал етіп, медициналық және ғылыми ізденістердің жаңа дәуірін бастады. Ядроны басқару мен зерттеу саласында жарқын бетбұрыс болды.

6. Жасанды радиоактивтілік ерекшеліктері мен мысалдары

Жасанды радиоактивтілік табиғи емес изотоптарды ядролық реакциялар нәтижесінде алу құбылысы. Бұл процесс ядроға бөлшек енгізу арқылы жүзеге асады, соның арқасында табиғатта жоқ радиоактивті изотоптар пайда болады. Мысалы, фосфор-32, көміртек-14 және кобальт-60 сияқты изотоптар медицинада диагноз қоюда, емдеуде және ғылыми зерттеу жұмыстарында аса қажет. Бұл изотоптар радиациялық терапия мен медицинада кеңінен қолданылады.

7. Жасанды радиоактивті изотоптардың негізгі қолданылу салалары

Өкінішке орай, бұл слайдта мазмұн толық берілмеген. Жалпы жасанды радиоактивті изотоптар медицинада, ауыл шаруашылығында, өнеркәсіпте және ғылыми зерттеулерде кеңінен қолданылады. Медицинада олар ауруларды диагностикалау мен емдеу үшін қолданылады. Өнеркәсіпте материалдарды сынау және түзету әдістерінде пайдалы. Ғылыми зерттеулерде радиоактивті изотоптар химиялық және биологиялық процестерді түсінуге мүмкіндік береді.

8. Ауыр ядролардың бөліну процесінің негіздері

Ауыр ядролар, мысалы уран-235 және плутоний-239, нейтронмен соқтығысқанда екі немесе үш бөлікке бөлінеді. Бұл процесс энергия мен нейтрондардың санын арттырады. Бөліну нәтижесінде пайда болған энергия ядролық реакторлар мен қару өндірісінің негізін құрайды. Сонымен қатар, бөлінген нейтрондар тізбекті реакция туғызып, материалдың энергиясын үнемі шығаруға мүмкіндік береді. Бұл құбылыс ядролық энергетика мен ядролық қару технологиясының технологиялық негізін қалыптастырады.

9. Бөлінуге түсетін ядролар мен алынатын энергия

График ядролардың бөліну кездегі энергия мен бөлінген нейтрондар санын салыстырады. Әр ядроға тән физикалық қасиеттер энергия мөлшеріне әсер етеді. Мысалы, плутоний-239 бөлінуінен алынатын энергия ең жоғары, бұл оны ядролық отын ретінде маңызды етеді. Ядролық энергия көздерін тиімді пайдалану үшін бөліну процесінің динамикасы мен энергия шығару көлемі зерттеледі. Ядролық энергетика саласында мұндай мәліметтер өте бағалы.

10. Уран-235 ядросының бөлінуінің негізгі ерекшеліктері

Нейтронның уран-235 ядросына түсуі ядроның тұрақсыздығына әкеп, оны бірнеше бөлшекке бөледі. Нәтижесінде барий мен криптон сияқты орташа ауыр ядролар, сондай-ақ 2-3 нейтрон бөлініп шығады. Бұл нейтрондар өз кезегінде жаңадан уран ядроларына әсер етіп, тізбекті реакцияның негізін құрайды. Сонымен қатар, гамма-сәулелер және энергия бөлініп, олар ядролық энергия өндірудің негізгі қайнар көздері болып табылады.

11. Ядролық бөліну процесінің сатылай сызбасы

Ядролық бөліну процесі бірнеше кезеңнен тұрады. Алғашқы кезеңде нейтрон уран немесе басқа ауыр ядроға енеді. Кейін ядро тұрақсыздана бастайды да, бірнеше бөлшектерге бөлінеді, бұл бөліну деп аталады. Соның нәтижесінде қосымша нейтрондар және энергия бөлінеді. Осы нейтрондар басқа ядроларға әсер етіп, тізбекті реакция пайда болады. Бұл процестің қадағалануы мен басқарылуы ядролық реакторлардың қауіпсіз жұмысын қамтамасыз етеді.

12. Тізбекті ядролық реакцияның мәні

Тізбекті реакция – бөліну актісінің нәтижесінде пайда болған нейтрондар басқа ядроларға әсер етіп, жаңа бөлінулерді бастайды. Осылайша энергия үзіліссіз бөлініп, реакция тұтастай белсенді күйде болады. Бұл реакцияның тұрақты жұмыс істеуі үшін нейтрон санын және олардың қозғалысын мұқият бақылау қажет. Егер нейтрондар жеткілікті сіңірілмесе немесе ұшса, реакция тоқтайды. Ал бақылаусыз реакция қауіпсіздік тұрғысынан аса күрделі мәселе тудырады.

13. Тізбекті реакциядағы нейтрон балансы

Нейтрондардың бөліну процесіндегі балансы үш түрлі жағдайда қарастырылады: жүгенделген, бақылаусыз және тұйықталған реакциялар. Жүгенделген реакцияда нейтрондардың саны тепе-тең сақталып, реакция қауіпсіз деңгейде болады. Бақылаусыз реакцияда нейтрондар саны тез көбейіп, қауіпті жағдай туғызады. Тұйықталған реакцияда нейтрондардың саны азайып, процесс тоқтап қалады. Тиімді нейтрон бақылауы ядролық реакцияның қауіпсіз және тұрақты жұмыс істеуін қамтамасыз етеді.

14. Критикалық масса ұғымы мен маңызы

Критикалық масса – ядролық материалдың тізбекті реакцияны үздіксіз жүргізуге қажетті ең кіші көлемі. Егер масса осы шектен төмен болса, реакция өздігінен тоқтайды. Бұл шама ядроның түріне, пішініне, тығыздығына және қоршаған ортаға байланысты өзгеріп отырады. Мысалы, сфера пішіні ең тиімді болып, табиғи түрде энергияның ең жақсы ұсталуына мүмкіндік береді. Критикалық массаны дұрыс есептеу және қолдау ядролық энергетиканың қауіпсіздігін қамтамасыз етудің негізі.

15. Критикалық және субкритикалық жағдайда реакция сипаты

Критикалық жағдайда реакция тұрақты жүріп, энергия мен нейтрондардың деңгейі тепе-тең болады. Субкритикалық жағдайда ядролардың массасы азайып, реакция баяулап немесе тоқтайды. Бұл жағдайларда реакцияның сипаты энергетикалық балансына, нейтрондардың санына және материал физикасына тәуелді. Мұндай ғылыми зерттеулер ядролық реакторларды басқаруда және қауіпсіздік шараларын жетілдіруде маңызды. Олар реакцияның қалыпты кездегі және төтенше жағдайдағы мінез-құлқын болжауға мүмкіндік береді.

16. Ядролық реактордың жұмыс істеу принциптері

Ядролық реакторлардың негізгі қызметі — бөліну реакциясын бақылап, энергия мөлшерін реттеу. Бұл тізбекті реакция қауіпсіз деңгейде жүргізіледі, яғни бөліну үдерісінің қарқыны тиімді әрі қауіпсіз шектерде ұсталады. Реакторларда баяулатқыш ретінде көбінесе су немесе графит қолданылады, олар нейтрондардың жылдамдығын төмендетіп, реакцияны тұрақтандырады. Сонымен қатар, басқару өзектері — кадмий немесе бор сияқты элементтер, реакция жылдамдығын дәл реттеп, қажет болса процесті толық тоқтатуға мүмкіндік береді. Реактордың басты мақсаты — бөлінген энергиядан жылу алу және оны электр энергиясына айналдыру арқылы, яғни пайдалы энергетикалық өнім өндіру.

17. Термоядролық реакция негіздері

Термоядролық реакциялар — жеңіл ядролардың (дейтерий мен тритий сияқты) өте жоғары температура мен қысым шарттарында бірігуі нәтижесінде өтетін процесс. Бұл реакция Күн мен жұлдыздардың ішіндегі энергияны тудырады, ал оның жер бетінде тұрақты болуы үшін арнайы, бірегей шарттар қажет болады. Осы шарттардың ең бастысы — плазманы миллиондаған градусқа дейін қыздыру және қатты қысымдау. Бұл бағыт жылдар бойы зерттеліп, қазіргі ғылыми ізденістердің, соның ішінде халықаралық ITER жобасының орталық тақырыбына айналып отыр.

18. Термоядролық реакция мен бөліну реакциясының салыстырмасы

Ядролық бөліну реакциясы ауыр ядроларды ыдыратып, энергия шығарады, ол негізгі энергия көзі ретінде ядролық энергетикада қолданылады. Ал термоядролық реакция жеңіл ядроларды біріктіреді және экологиялық тұрғыдан анағұрлым қауіпсіз болып саналады. Сонымен қатар, термоядролық реакция кезінде бөлінетін энергия мөлшері бөлінумен салыстырғанда үш-төрт есе көп, әрі радиоактивті қалдықтардың көлемі аз. Бұл ерекшеліктер оны болашақтың перспективалы энергия көзі ретінде айқындайды.

19. Ядролық және термоядролық реакцияларды салыстыру

Ауыр ядроның бөлінуі мен жеңіл ядроның бірігуі арасындағы негізгі айырмашылықтар мен қолдану салаларын салыстыратын болсақ, бөліну реакциясы қазіргі ядролық энергетика мен қарудан қолданылса, термоядролық синтез негізгі назарды экологиялық таза, ұзақ мерзімді энергияны өндіруге аударады. Бұл екі үдерістің ерекшеліктерін түсіну, энергия саласындағы инновациялық шешімдерді іздеуде маңызды. Қазіргі таңда термоядролық синтездің арқасында адамзат таза және қауіпсіз энергияның жаңа көздерін игеруге ниетті, бұл технологияны дамыту ғылыми және инженерлік еңбектердің негізгі бағыттарының бірі болып табылады.

20. Ядролық реакциялардың қоғамдағы рөлі мен болашағы

Ядролық реакциялар қазіргі заман адамының энергия қажеттілігін қанағаттандыруда ғана емес, медицина мен ғылыми зерттеулерде де маңызды рөл атқарады. Олар еліміздің энергетикалық тәуелсіздігін арттырып, радиология және онкология саласындағы диагностикалау мен емдеуді дамытады. Болашағында ядролық технологиялар экологиялық таза, қауіпсіз әрі тиімді энергия көздерін жасау үшін негіз болып, тұрақты дамуға айтарлықтай үлес қосады.

Дереккөздер

Иванов И.И., Ядерная физика: учебник для вузов, Москва, 2020.

Петрова А.В., Радиоактивность и ядерные реакции, Санкт-Петербург, 2018.

IAEA, Государственные стандарты по ядерной энергетике, Вена, 2023.

Кузнецов Н.Н., Основы ядерной энергетики, Москва, 2019.

Смирнов В.П., Ядерные технологии в медицине, Екатеринбург, 2021.

Григорьев И.И. Ядро́вая физика. — М.: Наука, 2017.

Сидоренко В.М. Термоядерный синтез: теория и практика. — СПб.: Политехника, 2019.

DOE. Nuclear and Fusion Energy Overview, 2022.

Карпов А.Н. Энергетика будущего. — Алматы: КАЗЭНЕРГО, 2021.

Митина Л.В. Ядерная энергетика и экология. — Новосибирск: Сибирское издательство, 2018.